Rédigé par Doug Katze, responsable du développement commercial en électronique
Les ingénieurs concepteurs sont de plus en plus sollicités pour intégrer davantage de fonctionnalités dans des dispositifs électroniques plus petits et plus puissants, tout en garantissant une fiabilité élevée face aux cycles thermiques, aux chocs, aux vibrations et aux contraintes mécaniques. Avec la miniaturisation des composants et l'augmentation des exigences de performance, les matériaux de remplissage et de liaison des bords sont devenus essentiels pour améliorer la robustesse des assemblages et prolonger la durée de vie des produits.
La miniaturisation des circuits PCB impose des exigences croissantes en matière de fiabilité et de performance.
Les défis de fiabilité auxquels est confrontée l'électronique moderne
Les assemblages électroniques fonctionnent aujourd'hui dans des environnements de plus en plus exigeants. Les dispositifs sont régulièrement soumis à :
- cycles thermiques répétés
- Chocs mécaniques et vibrations
- Flexion de la planche lors de l'assemblage et de l'utilisation
- Différences de coefficient de dilatation thermique (CTE) entre les composants et les substrats
- Températures de fonctionnement et densités de puissance plus élevées
Ces conditions soumettent les joints de soudure à des contraintes importantes, notamment dans les boîtiers à matrice de composants tels que les BGA, les CSP et les dispositifs à puce retournée. À mesure que les dimensions des boîtiers diminuent et que la taille des joints de soudure se réduit, la marge de fiabilité diminue.
Les fabricants doivent donc regarder au-delà du joint de soudure lui-même et envisager des méthodes supplémentaires d'atténuation des contraintes.
Qu'est-ce que le sous-remplissage électronique ?
Les matériaux d'encapsulation sous-composants sont conçus pour s'écouler sous un composant et encapsuler l'espace entre le boîtier et le circuit imprimé. Une fois polymérisé, le matériau crée une structure renforcée qui répartit plus uniformément les contraintes mécaniques et thermiques sur l'ensemble des interconnexions.
Performances améliorées en cyclage thermique
Les boîtiers électroniques sont soumis à des contraintes lors des tests de fiabilité, tels que les cycles thermiques. En raison des différences de coefficient de dilatation thermique (CTE) entre le circuit imprimé, les composants et les joints de soudure, des contraintes apparaissent lorsque ces éléments se dilatent et se contractent à des vitesses différentes. Le niveau de contrainte est le même sur un boîtier électronique, qu'un matériau de remplissage soit utilisé ou non. Le matériau de remplissage ne réduit pas le niveau de contrainte, mais, grâce à lui, celui-ci ne se concentre pas sur les joints de soudure comme c'est généralement le cas, mais est redistribué sur une surface plus large, ce qui améliore la fiabilité du boîtier.
Force mécanique accrue
Le sous-remplissage renforce la fixation globale du boîtier, contribuant ainsi à protéger les composants contre les chutes, les vibrations et les chocs mécaniques. Ceci est dû aux forces d'adhérence supplémentaires exercées par le sous-remplissage et à la redistribution des contraintes, qui s'étendent des joints de soudure à une plus grande surface.
Fiabilité à long terme améliorée
Pour les appareils électroniques de grande valeur dont la réparation ou le remplacement est coûteux, le sous-remplissage peut prolonger considérablement la durée de vie opérationnelle et améliorer la fiabilité sur le terrain.
Prise en charge des conceptions miniaturisées
À mesure que les composants deviennent plus petits et que les pas d'interconnexion se réduisent, le sous-remplissage offre un niveau de protection supplémentaire qui permet une miniaturisation continue sans sacrifier les performances.
Qu'est-ce que la technologie Edge Bond ?
Bien que le sous-remplissage offre un renforcement complet, certaines applications exigent une approche plus rapide, plus sélective, plus facile à fabriquer et plus économique. Les matériaux de collage de bord répondent à ce besoin en fixant les composants à des endroits stratégiques sur le périmètre plutôt qu'en remplissant tout l'espace sous l'emballage.
Appliqués aux coins ou aux bords d'un composant, les matériaux de collage de bord polymérisation pour créer un renforcement localisé qui réduit les contraintes sur les joints de soudure tout en minimisant la complexité du processus.
Augmentation du débit de production
Comme le matériau de collage des bords n'est appliqué qu'à des endroits précis, le collage des bords nécessite beaucoup moins de matériau et des temps de traitement bien plus courts que les méthodes de sous-remplissage traditionnelles.
Consommation de matériaux réduite
L'application ciblée permet de réduire la consommation globale de matériaux tout en offrant des améliorations substantielles en matière de fiabilité.
Résistance améliorée aux chocs et aux vibrations
Les matériaux de liaison de bord fonctionnent de manière similaire aux matériaux de sous-remplissage : ils améliorent la fiabilité d'un assemblage en répartissant les contraintes induites par les vibrations, les chutes ou les chocs thermiques au niveau des joints de soudure sur une surface plus étendue. Ceci contribue à stabiliser les composants et à réduire les mouvements lors de sollicitations mécaniques, offrant ainsi une protection précieuse aux produits électroniques portables et à usage intensif.
Flexibilité de fabrication
Bien que les matériaux de sous-remplissage offrent une fiabilité accrue pour les assemblages électroniques, leur principal inconvénient réside dans leur incompatibilité avec le procédé de fabrication CMS standard. De ce fait, leur utilisation est à la fois peu avantageuse et coûteuse, car elle augmente les coûts de production. Les sous-remplissages sont généralement fournis congelés, ce qui implique la gestion des seringues au congélateur et leur décongélation avant utilisation. Le processus de sous-remplissage est ensuite réalisé hors ligne, en dehors de la chaîne de production habituelle, en raison des étapes spécifiques de dosage sur plaque chauffante et de polymérisation hors ligne au four pendant 30 à 60 minutes. Cette incompatibilité avec le procédé de fabrication CMS standard engendre une hausse considérable des coûts de production. Pour de nombreuses applications, les matériaux de liaison de bord offrent un compromis efficace entre fiabilité et productivité, ce qui les rend particulièrement intéressants pour les opérations d'assemblage à grand volume. Les matériaux de liaison de bord à polymérisation UV, notamment, présentent un avantage unique : ce sont des matériaux monocomposants, comme les sous-remplissages, mais ils ne nécessitent pas de stockage congelé. L'étape de décongélation est ainsi éliminée du processus de fabrication. Le collage de chants à polymérisation UV est également compatible avec le procédé de fabrication SMT. L'ensemble du processus peut être réalisé en ligne, ce qui réduit les coûts par rapport au sous-remplissage. Le collage de chants à polymérisation UV peut être appliqué en ligne, sans plaque chauffante comme pour le sous-remplissage, et polymérisé en quelques secondes.
Sous-remplissage vs collage par les bords : quelle est la différence ?
Ces deux technologies améliorent la fiabilité des joints de soudure, mais elles y parviennent de manières différentes. Comprendre les compromis entre leurs avantages et leurs inconvénients peut aider les fabricants à choisir la solution la plus adaptée à leur application.
Aucune solution n'est intrinsèquement meilleure. Le choix optimal dépend des exigences de performance, des priorités de fabrication, de la valeur des composants et des considérations liées au cycle de vie.
Quelle technologie offre une meilleure capacité de retouche ?
La fiabilité n'est qu'un aspect du processus de sélection des matériaux. Les fabricants doivent également tenir compte des conséquences d'un éventuel remplacement d'un composant de grande valeur en cours de production ou lors d'une intervention sur site.
Les matériaux de sous-remplissage traditionnels créent une forte liaison entre le composant et le substrat, encapsulation complètement toutes les soudures. Il en résulte un retrait difficile du composant et potentiellement dommageable pour le PCB. Bien que ce niveau de renforcement soit souhaitable pour de nombreuses applications critiques, il peut compliquer les opérations de retouche et augmenter les coûts de réparation lorsque des composants coûteux sont impliqués.
Les matériaux de collage de bord offrent une flexibilité de fabrication bien supérieure. Le renforcement étant appliqué uniquement à des endroits précis du périmètre du composant, et non aux joints de encapsulation , le collage de bord peut être retiré plus facilement, permettant ainsi aux fabricants de remplacer ou de réparer des composants sans compromettre l'ensemble.
Pour les applications intégrant des processeurs coûteux, des dispositifs de mémoire, des capteurs, des accélérateurs d'IA ou des composants spécialisés, la possibilité de remise en état peut devenir un facteur important au même titre que la fiabilité, le débit et le coût de fabrication.
Comment les matériaux de sous-remplissage et de collage des bords améliorent-ils la fiabilité ?
Qu’elles soient appliquées sous un boîtier ou stratégiquement placées autour de son périmètre, ces deux technologies contribuent à traiter les causes profondes des défaillances des joints de soudure.
Les principaux avantages en matière de fiabilité sont les suivants :
- Réduction des contraintes mécaniques sur les joints de soudure
- Résistance améliorée aux cycles thermiques
- Durabilité accrue lors des chocs et des vibrations
- Meilleures performances dans des environnements d'exploitation difficiles
- Confiance accrue dans la fiabilité à long terme du produit
À mesure que les architectures des appareils deviennent plus compactes et sophistiquées, ces stratégies de renforcement deviennent de plus en plus importantes dans les applications électroniques grand public, industrielles, automobile, de télécommunications et d'infrastructures.
Choisir la bonne stratégie de renforcement
Le choix entre la technologie de sous-remplissage et la technologie de collage des bords dépend de plusieurs facteurs, notamment les exigences du dispositif, les conditions environnementales, les objectifs de fabrication et les objectifs de fiabilité.
Quand le sous-remplissage est judicieux
- Le sous-remplissage est souvent préféré lorsque :
- Une fiabilité maximale est requise.
- Le coût n'est pas un facteur déterminant.
- Les assemblages subissent de graves cycles thermiques.
- Les composants de grande valeur doivent être protégés.
- Les technologies de flip-chip ou d'encapsulation avancée sont utilisées
- La durabilité à long terme est l'objectif principal
Quand le collage des bords est la meilleure solution
Les matériaux de collage de bord sont fréquemment choisis lorsque :
- L'efficacité de la production à grande échelle est essentielle
- Des améliorations de la fiabilité sont nécessaires sans traitement complet du sous-remplissage
- Les considérations relatives aux coûts et au débit sont importantes.
- Les composants doivent être protégés des chocs et des vibrations.
- La possibilité de retouche peut être nécessaire
- Le renforcement sélectif assure une durabilité suffisante
Dans de nombreux cas, les ingénieurs évaluent les deux approches lors du développement du produit afin de déterminer l'équilibre optimal entre fiabilité, simplicité du processus, réparabilité des composants et coût de fabrication.
Soutenir l'avenir de l'électronique de pointe
Avec l'évolution constante des appareils électroniques, les matériaux de renforcement joueront un rôle de plus en plus crucial pour garantir leur fiabilité. Qu'il s'agisse d'une répartition optimale des contraintes grâce aux technologies de sous-remplissage ou d'un renforcement ciblé par des matériaux de collage des bords, les fabricants disposent aujourd'hui d'un choix plus vaste que jamais pour améliorer les performances et la durabilité de leurs assemblages.
Le succès dépend en fin de compte du choix de matériaux adaptés aux exigences de l'application et du partenariat avec des fournisseurs capables d'optimiser le développement des processus, les tests de fiabilité et la mise en œuvre de la production.
Chez Dymax, nous collaborons étroitement avec les fabricants de produits électroniques pour fournir des solutions adhésives photopolymérisables, de collage de bords et de renforcement qui contribuent à améliorer la fiabilité des assemblages tout en optimisant les processus de fabrication. Pour les applications exigeant à la fois robustesse et facilité de maintenance, les fabricants peuvent tirer parti de technologies de renforcement conçues pour assurer une protection mécanique optimale tout en simplifiant la réparation et le remplacement des composants.