Soudage manuel avec des métaux d'apport sans plomb (2002/95/CE)

Soudage manuel - Selon la directive européenne 2002/95/CE (loi sur les déchets électriques), la majorité des fabricants industriels d'électronique ne peuvent plus utiliser de soudure au plomb. Cette loi a été introduite en 2006 et il faut désormais utiliser des métaux d'apport sans plomb. On parle de sans plomb lorsque la teneur en plomb ne dépasse pas 0,1%. En 2013, cette directive a été remplacée par la directive 2011/65/UE, mais rien n'a vraiment changé. En 2018, la loi européenne sur les produits chimiques a ajouté le plomb à la liste des substances extrêmement préoccupantes. Cela a entraîné une modification de l'obligation d'étiquetage pour tous les produits de soudure contenant du plomb à plus de 0,3%.

On peut tout à fait affirmer que le passage des soudures contenant du plomb aux soudures sans plomb a bien fonctionné dans l'industrie. Même si quelques adaptations ont dû être apportées aux processus et aux matériaux.

Quelle est la différence ?

Les alliages contenant du plomb, comme le Sn63Pb37 (63% d'étain et 37% de plomb) ont un point de fusion de 183°C. Les alliages avec ajout de cuivre/argent ont un point de fusion de 179-190°C. C'était autrefois la norme pendant des années. Ces métaux d'apport pouvaient être bien utilisés avec une température de panne de 300-320°C. Les alliages sans plomb ont dans la plupart des cas un pourcentage plus élevé d'étain. Non plus 63%, mais entre 95 et 99%. Par conséquent, le point de fusion de l'alliage augmente jusqu'à 217-227°C. Une plus grande quantité d'étain dans la soudure, associée à une température de soudure plus élevée, signifie toutefois qu'il faut faire un peu plus attention à ses outils et à la métallisation des composants. La soudure ne dissout pas seulement plus rapidement les surfaces en cuivre, mais aussi plus vite. En moins de temps qu'il ne faut pour le dire, l'œil de soudure du circuit imprimé est dissous. Si l'on veut atteindre la température de brasage la plus basse de 217°C, il faut utiliser l'alliage Sn95,5%, Ag3,8% Cu0,7% (95,5% étain, 3,8% argent et 0,7% cuivre). L'avantage est le point de fusion relativement bas, l'inconvénient est la présence de près de 4% d'argent dans la soudure, ce qui peut presque doubler le prix du fil de soudure. En principe, il est possible de rendre cet alliage contenant de l'argent un peu moins cher en réduisant la part d'argent à 3%. On obtient ainsi une plage de fusion de 217-223°C. Si l'on souhaite utiliser la composition la plus avantageuse, on peut travailler un alliage étain/cuivre. Ici, le point de fusion est défini à 227°C. Pour cet alliage, comme pour les autres, la température à la panne ne doit pas nécessairement être augmentée de la même manière, mais la règle générale s'applique :

Liquidus (point de liquéfaction) de l'alliage + 120°C = température de travail à la panne de soudage

Ainsi, pour un alliage sans plomb (Sn99,3 Cu0,7), on obtient une température de panne de 350°C et pour une composition contenant du plomb, une température de panne de 310°C comme valeur de base. Or, les températures supérieures à 380°C endommagent généralement les circuits imprimés et les composants plutôt qu'elles ne les aident. De plus, le Flux dans le fil brûle beaucoup plus rapidement, de sorte qu'il ne peut remplir sa fonction qu'un certain temps à une température donnée. Chaque augmentation de la température de 10°C réduit de moitié la durée active du flux. Le temps qu'il met à éliminer les oxydes diminue - à un moment donné, il est trop court. En fin de compte, ce ne sont pas les températures absolues qui sont nécessaires. Lors du brasage tendre, il s'agit toujours d'apporter une quantité d'énergie nécessaire et d'atteindre certaines températures minimales. Le métal d'apport doit être liquide, il doit avoir une certaine température au-dessus du liquidus pour permettre la dissolution des métallisations et donc la formation des phases intermétalliques et d'un point de brasage résistant.

Quelle est l'influence de la composition d'un fil sur la résistance du point de contrôle ?

Lorsqu'il s'agit de braser à la main des applications soumises à de fortes variations de température et à des contraintes mécaniques permanentes (vibrations), on peut considérer que les métaux d'apport à base d'argent sont plus appropriés. On peut citer ici l'exemple de l'utilisation dans les voitures. Les métaux d'apport à faible teneur en argent ou sans argent sont souvent utilisés, mais pas uniquement, dans l'électronique grand public. Pas d'élévation de température trop importante, moins de contraintes mécaniques permanentes. Ce sont des domaines où l'on peut tout à fait se passer d'argent. En outre, des facteurs tels que la quantité de soudure, la disposition de la géométrie de soudure et la métallisation utilisée sur le composant et le circuit imprimé ont également une influence importante sur l'évaluation de la fiabilité à long terme d'un point de soudure.

Les soudures micro-alliées constituent un autre développement. Ils sont basés sur les métaux d'apport de base étain-cuivre ou étain-argent-cuivre mentionnés ci-dessus, mais on y ajoute environ 500 ppm de microcomposants contrôlés. Il s'agit souvent de nickel, de cobalt ou d'autres métaux et semi-métaux. Ceux-ci réduisent les propriétés de déposition et créent un affinement de la microstructure dans le point de soudure. Que signifie un affinement de la microstructure ? Des joints de grains plus fins dans la soudure permettent au point de soudure d'absorber nettement plus d'énergie mécanique avant d'être détruit mécaniquement lors des tests de choc thermique - la fiabilité à long terme s'améliore. De même, les pannes de soudage ont une durée de vie plus longue, car la couche de fer mouillable sur la panne se dissout beaucoup plus lentement. Le cuivre se dissout également beaucoup plus lentement dans la soudure, l'œil de soudure sur le circuit imprimé est conservé plus longtemps et le processus de réparation peut être effectué de manière plus fiable. Les brasures de la série FLOWTIN sont une série de brasures bien connue. La durée de vie des pannes de brasage est de 30 à 50% plus longue que celle des brasures standard si l'on prend soin des paramètres de brasage et des outils.

Le site Flux est un autre composant d'un fil de brasage pour le processus de brasage manuel. Le rôle du flux est d'éliminer les oxydes sur les composants impliqués : le composant, le circuit imprimé et bien sûr la soudure liquide. Il doit le faire le plus longtemps possible afin d'avoir une grande fenêtre de processus lors du brasage manuel. Selon le type et la quantité d'oxyde sur la soudure, l'activité doit être adaptée. Il existe des Flux sans halogène, ainsi que des Flux contenant des halogènes un peu plus forts. Les deux groupes éliminent les oxydes au moyen d'une réaction acide-oxyde métallique. Cependant, les Flux pour les soudures sans plomb doivent effectuer ce mécanisme de réaction à une température plus élevée et donc être actifs plus longtemps à une température de soudage plus élevée. Le Flux doit pouvoir s'écouler en quantité suffisante devant la soudure, éliminer les oxydes, évacuer les sels formés devant la soudure et laisser à la soudure liquide une surface métallique bien propre et pure. Le processus de diffusion peut alors avoir lieu, le point de soudure est formé. Avec les températures de brasage plus élevées, le Flux doit également être adapté afin d'optimiser la projection du flux et le mouillage. C'est là qu'interviennent les deux Flux activés différemment,le cristal 611 et lecristal 600. Ils ont été développés en combinaison avec les métaux d'apport sans plomb et micro-alliés et peuvent ainsi exploiter tout leur potentiel sur des surfaces plus ou moins oxydées. En principe, lors du choix du flux, il faut aussi toujours utiliser le plus faible. Ce qui ne reste pas sur le module en tant qu'activateurs et leurs produits de réaction dans le résidu ne peut pas causer de problèmes de fiabilité à long terme. Toujours utiliser la quantité et la puissance nécessaires pour obtenir une bonne réaction de mouillage.

Un autre avantage de ces fils à plomb est qu'ils sont fabriqués uniquement avec de l'étain de la gamme Fairtinde Stannol. La qualité des matières premières n'est pas la seule à jouer un rôle, d'autres facteurs entrent également en ligne de compte, comme les conditions de travail lors de l'extraction de l'étain, les normes environnementales appliquées et bien d'autres choses encore.

Le processus de travail avec la soudure sans plomb

Pour obtenir un point de soudure sans plomb, il faut dépenser plus d'énergie que pour un point de soudure avec plomb dans les mêmes conditions. Cela vaut pour tous les procédés de soudage, que l'on utilise fil à souder ou de la pâte à souder.

Comme la quantité d'énergie nécessaire est plus élevée, le transfert de chaleur sur le point de soudage doit également être considéré comme l'aspect le plus important du soudage manuel. Il s'agit ici de créer une surface de contact optimale pour le transfert de chaleur. Dans ce contexte, optimal signifie aussi grand que possible. C'est assez facile à réaliser : Il suffit d'utiliser la panne de soudage avec la plus grande surface de contact et de ne pas laisser la pointe fine de l'aiguille montée toute la journée. Chaque tâche de soudage a donc sa pointe à souder optimale. Celle-ci met à disposition une plus grande quantité d'énergie dans le même temps grâce à une plus grande surface de contact, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de compenser le besoin énergétique plus élevé pour la fusion de la soudure sans plomb par une augmentation de la température de travail. Cela entraînerait à nouveau une usure plus rapide de la panne de soudage. Des études ont montré qu'une augmentation de la température de 360°C à 410°C augmente de manière presque exponentielle l'usure de la panne de soudage en cas d'utilisation d'alliages sans plomb. La durée de vie de la panne n'est pas seulement divisée par deux, elle est aussi nettement plus courte. Il faut donc tenir compte d'un temps de soudage ou de contact légèrement plus long pour le point de soudure, afin de ne pas devoir augmenter inutilement la température de travail.

Un autre facteur important est le choix du bon outil. La technologie de transfert de chaleur joue un rôle essentiel. Le temps de réaction rapide du fer à souder à une demande de chaleur accrue est un facteur fondamental pour maintenir la température de travail à une valeur aussi basse que possible. Les technologies de pannes actives, dans lesquelles la panne forme une "unité" composée d'un élément chauffant, d'un capteur et d'une zone mouillable, ont un temps de chauffe très rapide (environ 3 secondes) et peuvent donc s'adapter rapidement. Cet avantage des pannes à chauffage direct va cependant de pair avec un prix nettement plus élevé. Cependant, grâce à leur temps de chauffe rapide, ces pannes peuvent se mettre automatiquement en veille plus rapidement, ce qui réduit l'usure et la consommation d'énergie.

Les technologies passives séparent l'électronique de régulation du fer à souder (élément chauffant / capteur) de la panne, qui peut alors être remplacée comme pièce d'usure - et est moins chère. Pour pouvoir utiliser la technologie passive de manière optimale en termes d'efficacité, il est important d'avoir une bonne surface de contact entre la panne et le fer à souder et il est indispensable d'avoir un outil de soudage puissant d'au moins 80 W ou plus.

L'aspect des soudures sans plomb diffère quelque peu de celui des soudures avec plomb. Si la "règle des 3G" (uniforme, lisse et brillante) s'appliquait encore aux points de soudure avec plomb, ces critères ne s'appliquent que de manière limitée aux points de soudure sans plomb. Le critère le plus important pour un point de soudure sans plomb est le "ménisque" proprement formé. Cet angle de mouillage visible est visible à la surface du point de soudure. Comme la composition des alliages sans plomb contenant de l'argent fait que les surfaces sont plus rugueuses, elle ne peut pas non plus briller aussi bien et ne peut pas vraiment satisfaire à la règle des "3G". Mais là encore, il existe des métaux d'apport sans argent avec des composants en micro-alliage qui peuvent produire une soudure brillante avec une soudure à base de SnCu. Flowtin TC ou SN100c sont cités ici comme exemples.

Conclusion sur le brasage manuel

Le brasage manuel sans plomb n'est pas difficile - il est simplement différent du brasage manuel avec des métaux d'apport contenant du plomb.

Les critères de qualité changent et les Outils à braser à utiliser doivent être adaptés le cas échéant. Mais la sécurité électrique d'un point de soudure sans plomb n'a rien à envier à celle d'un point de soudure avec plomb ! Si l'on s'est familiarisé avec le comportement modifié de propagation et de mouillage d'un alliage sans plomb et que l'on accepte un temps de brasage légèrement plus long pour ne pas augmenter inutilement la température, on constatera rapidement que le brasage manuel n'a en fait pas changé.

Source : STANNOL GMBH & Co. KG

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