Calcul du démoulage du pochoir de sérigraphie 

Présentation du sujet

Depuis le 1er juillet 2006, tout nouveau produit mis sur le marché dans l’Union européenne, qu’il soit importé ou fabriqué dans l’Union, doit être conforme à la directive européenne RoHS (2002/95/CE) qui vise à limiter l’utilisation de six substances dangereuses : le plomb, le mercure, le cadmium, le chrome hexavalent, les polybromobiphényles (PBB) et les polybromodiphényléthers (PBDE). RoHS signifie « Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment », c’est-à-dire « restriction de l’utilisation de certaines substances dangereuses dans les équipements électriques et électroniques ».
La réduction du plomb concerne au premier chef les fabricants de matériel électronique. Ils doivent remplacer l’alliage de brasage actuel (riche en plomb) par un autre type d’alliage. Les alliages alternatifs les plus répandus utilisent l’étain (Sn), l’argent (Ag) et le cuivre (Cu), appelé également alliage SAC. Ils fondent toutefois à une température plus élevée (jusqu’à 220°C) soit 30 à 35 °C de plus que l’étain-plomb (183°C, le plus utilisé avant la directive) ou l’étain-plomb-argent (179°C, communément utilisé par le spatial en Europe).
Mais l’utilisation de ce type d’alliage est source de nombreuses difficultés dans sa mise en place (problème de report, refusions, rupture de joint brasé, …).
Le projet NANO auquel j’ai participé a pour objectif la mise en place d’un nouveau type d’alliage permettant de remplacer les crèmes à braser existantes et de résoudre les problématiques rencontrées. Afin de mener à bien ce développement, une étude préliminaire sur le comportement des pâtes à braser en générale est primordiale.
Dans ce cadre, nous travaillons avec 3 partenaires industriels travaillant avec les crèmes étudier lors de ce stage : CONTINENTAL AUTOMOTIVE Toulouse et THALES ALENIA SPACE assemblant des produits électroniques. INVENTEC fabricant de crème à braser.
Pour résumer, mon stage a porté sur l’étude comportementale de différentes crèmes à braser du commerce en fonction d’un cahier des charges bien précis et élaboré par nos partenaires industriels pour des besoins en carte électronique pour l’aéronautique.
Cette caractérisation s’est faite par :
• La mise en place de véhicule test suivant un cahier des charges bien précis.
• L’étude comportementale de la crème lors de la sérigraphie des cartes.
• La mise en place de protocoles de sérigraphie.
Toutes ces étapes ont permis de contrôler, expérimenter et donner un premier avis sur les propriétés rhéologiques des crèmes à braser d’INVENTEC, pour éventuellement valider un modèle de référence pour la suite du projet. En effet, les nouveaux alliages seront expérimentés suivant la même procédure et seront comparés à nos modèles initiaux.
Cette étude servira de soutien à la suite du projet afin de faire une comparaison entre les alliages d’INVENTEC et le produit en cours de développement.

Présentation du matériel

Les crèmes à braser

Nous avons étudié le comportement de plusieurs pâtes à braser utilisées par nos partenaires industriels référencées comme ci- dessous :
• Une crème plombée (DMH 0524)
• Une crème RoHS (305-21)
• Une crème faible température (LT 140-18), (alternative plausible dans l’assemblage de carte électronique).
Ces 3 crèmes ont été choisies pour leurs différentes propriétés (influence du flux, de la température, de la viscosité, …).

DMH 0524

Ce produit est une crème à braser plombée de chez INVENTEC. Ce produit est utilisé aujourd’hui par THALES AEROSPACE de Toulouse. La cadence de THALES AEROSPACE est faible et la politique RoHS ne s’applique pas au domaine du spatial pour le moment.

Ecorel free 305-21

Ce produit est une crème à braser sans plomb de chez INVENTEC. Ce produit est utilisé aujourd’hui par CONTINENTAL AUTOMOTIVE de Toulouse dans leur unité de production pour de grandes séries.

Ecorel Free LT 140-18

Ce produit est une crème à braser basse température (158°C) à base de Bismuth de chez INVENTEC.
Ce produit servira de comparatif entre les deux crèmes précédentes.
L’ensemble des caractéristiques des crèmes à braser est détaillé en annexe 3, 4 et 5.

Le viscosimètre

Il s’agit d’un viscosimètre rotationnel de type Brookfield. C’est un appareil permettant la mesure de la viscosité d’un fluide sous l’effet d’un stress en cisaillement par rotation. Le taux de cisaillement est appliqué à l’aide de différents mobiles. Les mobiles sont choisis suivant la rhéologie des fluides à mesurer.
Chaque mobile a des données différentes données par le constructeur (voir annexe 3).

L’équipement de sérigraphie

La machine de sérigraphie est un équipement de production automatique de la société DEK. Il s’agit de l’équipement 01i pouvant accueillir des pochoirs de grande dimension (29 pouces) ainsi qu’une caméra pour l’auto- alignement des cartes vis-à-vis des pochoirs grâce à la reconnaissance vidéo des mires d’alignement.
Les détails de la machine de sérigraphie sont indiqués en annexe 7, page 39.
La carte utilisée pour cette étude est une carte de calibration provenant de l’entreprise DEK. Cette carte répertorie différentes dimensions de pads et de pitchs ainsi que différents types de designs de boitiers nécessaires à notre étude.
Ce type de véhicule permet de vérifier la conductivité électrique de la crème en continu et en RF. Caractéristiques :
• Composition : FR4
• Simple couche (nombre de couche 2)
• Finition : Ni/Au
• Composants assemblés : CHIP et UFL
La conductivité électrique sera mesurée à l’aide d’un analyseur de réseau VNA. En effet par ce moyen de mesure nous pouvons apercevoir 2 effets :
• La réflexion de l’onde sur la ligne (résistivité)
• La propagation de l’onde sur l’ensemble de la ligne (conductivité)
Lors de ce test, nous enverrons un signal électrique à une fréquence donnée sur une ligne de résistance, et nous analyserons les deux effets.
Grâce à ces deux effets, nous sommes capables pour la suite de calculer l’effet résistif de la crème en fonction du volume du joint après brasage du composant.
Chaque ligne a des résistances à 0Ω et des dimensions différentes. Ces lignes de résistances ont une résistivité connue.
Fréquence de mesure : 1,2GHz à 3GHz. L’utilisation de ces différentes fréquences de mesure permet d’amplifier les défauts des crèmes.

Les moyens de contrôle

Microscope à balayage optique

Nous avons utilisé plusieurs moyens de contrôle pour la visualisation et la mesure des différents dépôts effectués.
Dans un premier temps, nous utilisons un microscope optique afin de visualiser l’aspect des dépôts de pâte à braser sur la carte en sortie de sérigraphie. Ce dernier permet un premier contrôle visuel sur le bon dépôt de sérigraphie sur la carte.
En fonction de la satisfaction des dépôts, nous avons ensuite caractérisé ceux-ci à l’aide d’un microscope à balayage optique confocal.

Taches préliminaire

Formation

Avant de commencer mon projet, j’ai suivi préalablement différentes formations :
• Comportement et sécurité dans la salle blanche
• Formation sur les risques chimiques en salle blanche
• Formation sur les différents équipements utilisés (sérigraphie, flip chip, four de refusion et miscroscope optique confocal).
Les formations sur la sécurité et les risques chimiques en salle blanche sont obligatoires pour entrer en salle blanche.

Défauts apparents

Avant de commencer l’étude de la crème, j’ai recherché les différents défauts qui peuvent apparaître lors de la sérigraphie.
Non dépôt sur la plage d’accueil : C’est un défaut de sérigraphie de non dépôt de crème à braser sur les plages.
Causes : Ce défaut est dû à une corrélation vitesse/ pression non adéquate qui entraine un non cisaillement de la crème, ou un mauvais malaxage de la crème avant son utilisation. Les paramètres de la sérigraphie peuvent en être la cause, ainsi qu’une crème à braser périmée.

Tests préliminaires

Test de viscosité

La viscosité d’un fluide représente la résistance à la déformation sous l’effet d’un stress de cisaillement. Pratiquement, on associe la viscosité au comportement d’un fluide ou à sa résistance à l’écoulement. La viscosité traduit la résistance interne du fluide et peut être assimilée à la friction du fluide. En fait, la viscosité joue un rôle essentiel dans la phase de production d’un produit.
Pour la mise en rotation nous utilisons des mobiles choisis en fonction de la viscosité du fluide.
Les mobiles sont décrits en annexe 3, page 35.
Le test de viscosimétrie permet dans mon projet d’avoir une référence de départ dans le comportement de la crème à l’instant T0 et de le comparer à l’instant T+. Les résultats obtenus permettent de définir les paramètres limite du plan d’expérience de Taguchi.
Un test de viscosimétrie de chaque crème est fait avant étude servant aussi de critère comparatif.

Paramétrage du viscosimètre

Avant l’utilisation du viscosimètre sur les crèmes à braser, on doit voir si la machine de mesure n’est pas en défaut. Pour cela, nous utilisons une huile étalon similaire à la viscosité attendue des pâtes à braser. Le type de fluide que nous utilisons est du silicone. Ce type de produit ne varie pas en fonction du cisaillement appliqué par l’élément. On dit que ce fluide est un fluide newtonien.

Vérification du moyen de contrôle

Microscope optique à balayage

Le microscope à balayage optique est contrôlé une fois tous les mois au minimum.
Il existe plusieurs paramètres à régler lors de l’utilisation du microscope à balayage :
• L’intensité lumineuse du laser
• La résolution du capteur
• L’objectif du microscope
• Le pitch (la montée du plan focal entre 2 mesures). Plus le pitch est important, moins précise sera la mesure.

Vérification du microscope à balayage optique

Pour voir l’influence de ces paramètres, j’ai effectué plusieurs types de mesure :
• Mesure d’une bille : Permet de vérifier l’influence de l’objectif sur la mesure
• Mesure d’un dépôt de crème : Permet de contrôler la variation de la mesure en fonction de l’intensité lumineuse.

Mesure d’une bille

La tolérance de la bille type 3 est entre 25 et 35µm (données transmises par le fabricant).
L’objectif de ce test est de vérifier la conformité du moyen de mesures en fonction des différents objectifs.
Il faut aussi vérifier les limites du microscope, les objectifs avec lesquels il est possible de travailler pour que les mesures correspondent à la valeur réelle.
Pour cela, il faut mesurer une bille ayant une tolérance connue, et diminuer les objectifs pour quantifier les pertes en fonctions des objectifs.

Optimisation des paramètres

Le but est de fixer deux des paramètres du procédé de sérigraphie à l’aide du plan fractionnaire de Tagushi.
Après l’analyse du plan fractionnaire de Tagushi, nous fixons 2 paramètres ayant une influence faible sur le dépôt.
La suite est de faire varier le paramètre fortement influant et de trouver le meilleur réglage avec un type de crème.

Pré-série

L’objectif de ce test est d’analyser l’effet thixotropique de la crème au cours de son utilisation. En effet, lors de la production de circuit électronique, la crème à braser du fait du cisaillement perd en viscosité. Cette perte en viscosité entraine une crème beaucoup plus fluide qui peut créer des défauts en sérigraphie (court-circuit, microbillage…).
Ce cisaillement sur la crème à braser entraine de façon irréversible une diminution de la viscosité de la crème.
Le but de ce test est de vérifier le comportement de la crème lors d’une série 10 cartes. Le dépôt de sérigraphie sera vérifié après chaque passage. Aucun nettoyage ne sera fait entre chaque passage.

Préconisation 305-21

D’après l’ensemble des résultats pour la crème Ecorel 305-21 nous conseillons :
• Suivre les réglages en fonction du volume déposée.
• La crème est stable au cours du temps, le nettoyage n’est pas obligatoire sur des petites séries de production.

Conclusion

Lors de ce projet nous avons vu qu’il existait divers comportements d’une pâte d’un même fabricant.
En effet, en fonction de leur composition (métal, flux et liant), le comportement rhéologique et mécanique va faire varier les paramètres de sérigraphie.
La crème DMH 0524, crème plombée, est une crème se cisaillant à très faible vitesse, et ayant une difficulté à revenir à ces caractéristiques de départ. Il est recommandé de travailler à faible vitesse pour ce type de crème, et pour de très petites séries de lot.
La crème Ecorel 305-21, crème RoHS, est une crème beaucoup plus stable que la crème DMH 0524, elle convient plus à des séries beaucoup plus grandes et permet un meilleur rendement. Il a été mis en place un abaque qui permettra de régler la machine de sérigraphie en fonction du volume des ouvertures pouvant être déposée.
Cette étude servira de base pour la suite du projet NANO. Ce stage a permis d’avoir une première idée sur le comportement rhéologique de la crème. Elle permettra d’avoir une base pour la mise en place des véhicules tests de générations supérieures (test électrique, mécanique, etc.…)
Ces véhicules test seront comparés au produit en cours de développement.

Table des matières
I. Remerciements
I. Introduction 
a. Entreprise
1. CNRS (Centre National de la recherche scientifique)
2. LAAS (Laboratoire D’Analyse et d’architecture système)
3. Présentation du service
4. Maitre d’apprentissage
II. Présentation du sujet 
III. Objectifs
Planning prévisionnel
IV. Présentation du matériel 
a. Les crèmes à braser
1. DMH 0524
2. Ecorel free 305-21
3. Ecorel Free LT 140-18
b. Le viscosimètre
c. L’équipement de sérigraphie
d. Le four de refusion
e. Véhicule test de 1ère génération
f. Les moyens de contrôle
4. Microscope à balayage optique
g. Environnement
V. Taches préliminaire
a. Formation
b. Défauts apparents
c. Calcul du démoulage du pochoir de sérigraphie
VI. Tests préliminaires
a. Test de viscosité
1. Paramétrage du viscosimètre
b. Passage en sérigraphie
c. Vérification du moyen de contrôle
2. Microscope optique à balayage
3. Mesure d’une bille
4. Mesure d’un dépôt de crème
d. Report de composant
e. Profil de refusion
VII. Déroulement de l’étude 
VIII. Mise en place de l’étude 
a. Plan fractionnaire de Tagushi
b. Optimisation des paramètres
c. Pré-série
IX. Test électrique 
X. Crème DMH 0524 – Crème Thalès Alenia Space
a. Test de viscosimétrie
1. Résultats
b. Plan fractionnaire de Tagushi
2. Résultats
3. Interaction
4. Interprétation
c. Optimisation des paramètres DMH 0524
5. Résultats
6. Interprétation/paramètres finaux
d. Pré série DMH 0524
e. Préconisation crème DMH 0524
XI. Crème 305-21
a. Test de viscosité
1. Résultats
b. Plan fractionnaire 305-21
1. Recommandation INVENTEC
2. Calcul racle de 200mm
3. Mise en place niveau des paramètres
4. Résultats
5. Interaction
6. Interprétation
c. Vérification des paramètres des paramètres 305-21
7. Résultats
8. Interprétation / paramètres finaux
d. Pré-série 305-21
e. Préconisation 305-21
XII. Conclusion 
Annexe 1 – Glossaire
Annexe 2 – Organigramme service « TEAM »
Annexe 3 – Mobile viscosimètre
Annexe 4 – Fiche technique crème DMH 0524
Annexe 5 – Fiche technique Ecorel free 305-21
Annexe 6 – Fiche technique Ecorel free LT 140-18
Annexe 7 – Sérigraphie DEK horizon 01
Annexe 8 – Résultat plan d’expérience DMH 0524 (en µm)
Annexe 9 – Résultat plan d’expérience LT Ecorel 305-21 (en µm)

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