Influence of the high-melting-point solder addition on the thermo-mechanical reliability of solderable anisotropic polymer composites containing low- melting-point solder

Dans le monde invisible de l'électronique moderne, de minuscules connexions maintiennent l'ensemble de la structure. À l'intérieur d'un smartphone ou d'un ordinateur, les délicates broches métalliques d'une puce électronique doivent être fermement fixées à un circuit imprimé pour transporter l'électricité et les données. Ces connexions sont réalisées à l'aide de pâtes spéciales qui durcissent pour former des joints. Cependant, les matériaux utilisés dans ces appareils se dilatent et se contractent à des rythmes différents lorsque la température change. Lorsqu'un appareil alterne entre un froid glacial et une chaleur brûlante, ces mouvements décalés créent des tensions, un peu comme un pont qui s'étend sous le soleil de l'été et rétrécit en hiver. Avec le temps, cet étirement et ce resserrement répétés peuvent provoquer des fissures dans les minuscules joints, les décoller ou leur faire perdre leur capacité à conduire l'électricité, entraînant la défaillance de l'appareil. Les ingénieurs cherchent depuis longtemps un moyen de rendre ces joints assez solides pour survivre à de telles conditions extrêmes sans se briser.

Des chercheurs des universités Chung-Ang et Kangwon en Corée du Sud ont exploré une nouvelle façon de renforcer ces connexions en mélangeant deux types différents de particules métalliques dans la pâte de liaison. Ils se sont concentrés sur un matériau appelé composite polymère anisotrope soudable, qui agit à la fois comme une colle et un pont électrique. Pour tester sa durabilité, ils ont créé deux versions de ce matériau : l'une composée uniquement de particules métalliques à bas point de fusion, et l'autre intégrant un second type de métal ayant un point de fusion beaucoup plus élevé. Ils ont ensuite soumis les deux versions à un test rigoureux, effectuant mille cycles entre des températures de moins 55 degrés Celsius et 125 degrés Celsius. Ce choc thermique extrême imite les environnements les plus rudes auxquels un appareil électronique pourrait être confronté. L'étude a révélé que le mélange contenant les deux types de particules métalliques tenait la connexion bien mieux que la version composée uniquement de métal à bas point de fusion, offrant une voie prometteuse vers une électronique plus fiable.

Le cœur de l'expérience consistait à créer de minuscules joints de test à l'aide d'un petit boîtier de puce et d'un circuit imprimé. Les chercheurs ont appliqué leurs pâtes personnalisées et les ont chauffées pour faire fondre les particules métalliques, leur permettant de s'écouler et de se lier aux broches métalliques. Dans la première version, la pâte ne contenait que des particules d'étain et de bismuth, qui fondent à une température relativement basse. Dans la seconde version, ils ont ajouté une quantité égale de particules d'étain, d'argent et de cuivre, qui nécessitent une chaleur bien plus élevée pour fondre. À mesure que la pâte refroidissait et durcissait, les particules métalliques formaient des voies solides pour que l'électricité circule entre la puce et la carte, tandis que le polymère environnant agissait comme une coque protectrice. Les chercheurs ont ensuite placé ces assemblages dans une chambre qui oscillait rapidement entre un froid et une chaleur extrêmes, simulant des années d'usure en quelques jours seulement.

Tout au long des mille cycles de choc thermique, les deux types de joints ont maintenu une connexion électrique stable, ne montrant aucun signe des pics de résistance qui indiquent habituellement une rupture de liaison. Cette stabilité a prouvé que les voies métalliques restaient intactes, même lorsque les matériaux se dilataient et se contractaient violemment. Cependant, lorsque les chercheurs ont testé la force nécessaire pour détacher physement la puce de la carte, une différence nette est apparue. Avant le début des tests, les joints fabriqués avec les particules métalliques mixtes étaient environ trente-trois pour cent plus solides que ceux faits avec le type de métal unique. Après le cycle thermique brutal, les joints aux métaux mixtes surpassaient toujours les autres, conservant une résistance à l'arrachement près de quarante-sept pour cent supérieure. L'ajout des particules métalliques à haut point de fusion avait créé un lien plus robuste et plus résilient, résistant à la fatigue causée par les changements de température.

Pour comprendre pourquoi les joints à métaux mixtes étaient bien plus solides, les chercheurs ont examiné de près la structure microscopique des liaisons. Dans les joints composés uniquement de métal à bas point de fusion, la structure interne consistait en des couches alternées de métaux différents, qui avaient tendance à devenir plus larges et plus grossières à mesure que la température variait. Cet épaississement, combiné à la croissance rapide d'une couche fragile là où le métal rencontre l'électrode de cuivre, affaiblissait le joint au fil du temps. En revanche, les joints avec les métaux mixtes développaient un paysage interne différent. La présence du second type de métal provoquait la formation et la répartition uniforme de minuscules particules dures à travers la liaison. Ces particules agissaient comme des renforts, empêchant les couches métalliques de croître excessivement et empêchant la couche d'interface fragile de s'aplatir et de devenir un point faible.

L'étude a également révélé que les joints à métaux mixtes résistaient à l'accumulation d'une substance fragile spécifique à l'interface entre la soudure et l'électrode. Dans les joints à métal unique, cette substance s'accumulait de manière significative au fur et à mesure que le test progressait, créant un point faible où des fissures pouvaient facilement se propager. La formulation à métaux mixtes empêchait cette accumulation, maintenant l'interface de connexion plus propre et plus forte. Lorsque les chercheurs ont séparé les joints après les tests, les modèles à métal unique se sont brisés de manière fragile le long de ces interfaces faibles, tandis que les modèles à métaux mixtes présentaient un mode de rupture plus complexe et plus robuste, indiquant que la liaison tenait bon. Les résultats suggèrent qu'en sélectionnant et en mélangeant soigneusement les charges métalliques, les ingénieurs peuvent créer des joints électroniques qui non seulement conduisent bien l'électricité, mais survivent également aux contraintes physiques extrêmes du monde réel, prolongeant potentiellement la durée de vie de tout, des gadgets de consommation aux infrastructures critiques.