Depuis 2006, suite à la mise en œuvre de la directive européenne 2002/95 / CE dans la loi sur les équipements électriques, il est stipulé pour la grande majorité des fabricants d’électronique industrielle qu’ils doivent utiliser des soudures sans plomb pour la production de leurs assemblages. Selon cette loi, «sans plomb» signifie les soudures qui ne contiennent pas plus de 0,1% de plomb et sont donc inférieures aux valeurs limites spécifiées. Cette directive européenne a été remplacée par 2011/65 / UE en 2013. Rien n’a changé dans les valeurs limites autorisées pour les soudures du brasage tendre. Seuls quelques retardateurs de flamme, qui étaient utilisés dans le domaine de la production de circuits imprimés ont également été ajoutés.
En juin 2018, le plomb a été ajouté à la liste des substances extrêmement préoccupantes de la loi européenne sur les produits chimiques (SVHC – «Substances of Very High Concern»). Cela a conduit à une modification de l’exigence d’étiquetage pour tous les produits de soudure contenant du plomb (par exemple, les fils de soudure) contenant plus de 0,3% de plomb sous forme solide, car le plomb est à juste titre classé comme toxique pour la reproduction à partir de cette date. Il ne s’agit en aucun cas d’une chicane, mais reflète la nécessité d’adapter la manipulation des soudures au plomb aux connaissances actuelles sur leur dangerosité.
Cette classification comme toxique pour la reproduction signifiait que la soudure contenant du plomb ne pouvait être vendue qu’à des personnes spécialement formées. Ainsi, diverses exigences juridiques obligent aujourd’hui de nombreux amateurs d’électronique à se préoccuper du sujet. Bien entendu, il existe des exceptions, la RoHS se réfère à la “mise sur le marché” des assemblages électroniques. Est-ce fait par un utilisateur privé, qui élabore lui-même ses projets, les soude puis les utilise – et qui ne les «met pas sur le marché»? Probablement pas, mais cela ne change rien à ce que nous savons des dangers de la manipulation du plomb.
Le passage aux soudures sans plomb
Le passage des soudures au plomb aux soudures sans plomb a bien fonctionné à grande échelle dans l’industrie. Bien entendu, des ajustements de la technologie ont été nécessaires et bien entendu les paramètres de production devaient être ajustés. L’un ou l’autre composant ainsi que les circuits imprimés devaient être optimisés en termes de résistance à la température. Mais dans le domaine du brasage manuel avec une station de soudage, les réglages nécessaires sont maintenus dans des limites étroites. Certains des premiers assemblages sans plomb fonctionnent depuis 15 ans – et il n’y a aucune cause de défaillance qui peut être attribuée à l’utilisation d’alliages sans plomb.
Quelles sont les principales différences entre les alliages utilisés dans le secteur des alliages? Contient du plomb Sn63Pb37 sous forme d’alliage eutectique avec un point de fusion de 183 ° C ou des variations avec plus de plomb ou un peu de cuivre / argent comme additif avec des plages de fusion autour de 179-190 ° C. Ceux-ci ont constitué la norme pendant de nombreuses années. Ces alliages pouvaient être traités avec une station de soudage de 30 à 50 W avec une température de pointe de soudage de 300 à 320 ° C. La soudure est devenue liquide, le flux a éliminé les oxydes des surfaces à souder, l’étain de la soudure a dissous le cuivre (ou d’autres métallisations) sur le composant ou la carte de circuit imprimé et une phase intermétallique a été créée. Cela a rendu le joint de soudure bien formé, résilient et durable.
Les alliages sans plomb contiennent généralement une proportion d’étain beaucoup plus élevée. Au lieu de 63%, cela ressemble plus à 95 à 99% de Sn. En conséquence, le point de fusion de l’alliage s’élève à 217 – 227 ° C, mais l’étain a toujours été le composant de la brasure qui forme la phase intermétallique et peut “desserrer” toutes les surfaces métalliques soudables. Le plomb n’a toujours été que le composant “inerte” (inactif) de l’alliage, avec l’avantage de le rendre moins cher et de réduire le point de fusion de l’étain de 232 à 183 ° C. Cependant, plus d’étain dans la soudure en combinaison avec une température de soudage plus élevée signifie maintenant que vous devez accorder plus d’attention à vos outils et à la métallisation des composants. La soudure dissout non seulement les surfaces de cuivre plus rapidement, mais elle se dissout également plus rapidement. Avant que vous ne vous en rendiez compte, la pastille du circuit imprimé s’est dissoute.
Alliages standard sans plomb
Mais regardons de plus près certains alliages standards sans plomb : si vous voulez atteindre les 217 ° C susmentionnés comme l’une des températures les plus basses possibles dans la gamme SnAgCu, la composition avec Sn95.5%, Ag3.8% Cu0,7% doit être utilisé. L’avantage est le point de fusion relativement bas, l’inconvénient est le presque 4% d’argent dans la soudure, ce qui peut presque doubler le prix du fil de soudure. En principe, cet alliage contenant de l’argent peut être rendu un peu moins cher en réduisant la teneur en argent à 3%. Ensuite, l’alliage a une plage de fusion de 217 à 223 ° C, mais cela n’est pas vraiment perceptible lors du traitement ou lors de l’examen de la longévité d’un joint de soudure. En tant qu’alliage le moins cher, l’alliage étain-cuivre (Sn99,3% Cu0,7%) peut être utilisé comme alliage eutectique avec un point de fusion défini de 227 ° C sans argent. Avec cet alliage également, la température ne doit pas nécessairement être augmentée de 10 ° C au niveau de la pointe de fer à souder par rapport à un alliage contenant de l’argent.
Pour toutes les soudures sans plomb, la même règle empirique s’applique pour déterminer la température requise pour la pointe du fer à souder que pour les soudures au plomb:
Liquidus (point de liquéfaction) de l’alliage + 120 ° C = température de fonctionnement à la pointe du fer à souder
Ainsi, arithmétiquement, une soudure contenant du plomb avec une plage de fusion de 183-190 ° C donne une température de la pointe de 310 ° C comme valeur de départ. Avec Sn99.3 Cu0.7 à 227 ° C, 350 ° C est donc le point de départ pour commencer la soudure. Si 10 à 20 ° C de plus sont nécessaires pour entrer une certaine quantité de chaleur en peu de temps, cela peut certainement être une option. Les températures supérieures à 380 ° C endommagent généralement les circuits imprimés et les composants plus qu’ils n’aident. Le flux dans le fil brûle également beaucoup plus rapidement, de sorte qu’à une certaine température, il ne peut effectuer sa tâche que pendant un certain temps. Chaque augmentation de température de 10 ° C divise par deux la durée active du flux. Le temps nécessaire pour éliminer les oxydes devient plus court – à un moment donné, il est trop court. En fin de compte, il ne s’agit pas de températures absolues qui sont nécessaires. Le brasage tendre implique toujours l’apport de la quantité d’énergie nécessaire et l’atteinte de certaines températures minimales. La brasure doit être liquide, elle doit être à une certaine température au-dessus du liquidus pour permettre à la métallisation de se dissoudre et de former ainsi les phases intermétalliques et donc un point de soudure élastique.
Les alliages sans plomb brièvement décrits ci-dessus ont tous une résistance à long terme suffisante : on peut approximativement définir les soudures contenant de l’argent comme plus adaptées aux applications avec des changements de température plus élevés, souvent associés à des contraintes mécaniques permanentes (vibrations). L’utilisation dans les voitures peut être citée à titre d’exemple. Les soudures à faible teneur en argent ou sans argent sont souvent, mais pas exclusivement, utilisées dans l’électronique grand public. Pas de variations de température excessives, charge mécanique inférieure. Ce sont les domaines où vous pouvez certainement vous passer de l’argent. De plus, des facteurs tels que la quantité de soudure, la disposition de la géométrie de soudage et la métallisation utilisée sur le composant et la carte du circuit imprimé ont également une influence significative sur l’évaluation de la fiabilité à long terme d’un joint soudé. Il ne s’agit donc jamais simplement de savoir quelle soudure est utilisée pour se décomposer et d’y répondre.
Développements dans les alliages de soudure
En outre, il y a eu de nombreux développements dans le domaine des alliages de brasage ces dernières années qui peuvent optimiser la fiabilité à long terme et d’autres propriétés des brasures standard. Ces soudures micro-alliées sont basées sur les soudures à base étain-cuivre ou étain-argent-cuivre mentionnées ci-dessus, mais environ 500 ppm de micro-composants contrôlés sont ajoutés. Ce sont souvent du nickel, du cobalt ou d’autres métaux et semi-métaux. Ceux-ci réduisent les propriétés de dissolution et créent un raffinement de la microstructure dans le joint de soudure. Que signifie un raffinement de la microstructure? Des joints de grains plus fins dans la soudure permettent au joint de soudure d’absorber beaucoup plus d’énergie mécanique avant qu’il ne soit mécaniquement détruit dans les tests d’alternance de choc thermique – la fiabilité à long terme est meilleure. Les pannes à souder vivent également plus longtemps car la couche de fer mouillable sur la pointe se dissout beaucoup plus lentement. Le cuivre se dissoudra également beaucoup plus lentement dans la soudure, l’œil de soudure sur la carte de circuit imprimé restera plus longtemps, le processus de réparation peut être plus fiable. Une série de lots bien connue sont les lots de la série FLOWTIN. Une durée de vie plus longue des pannes à souder par rapport à une soudure standard de 30 à 50% peut être obtenue en manipulant soigneusement les paramètres et les outils de soudage.
Étant donné qu’un fil à souder ne se compose pas seulement de l’alliage, mais qu’il est également un composant essentiel du flux qu’il contient, voici une brève excursion dans la différence des flux utilisés dans les fils de soudure sans plomb / contenant du plomb. La tâche du flux est d’éliminer les oxydes sur les composants impliqués : composant, carte de circuit imprimé et bien sûr aussi brasage liquide. Il doit le faire le plus longtemps possible afin d’avoir une grande fenêtre de processus lors du soudage. En fonction du type et de la quantité d’oxyde sur l’élément à souder, l’activité doit être adaptée. Il existe des flux sans halogène, ainsi que des flux contenant un halogène un peu plus puissants. Les deux groupes éliminent les oxydes au moyen d’une réaction acide-oxyde métallique. Cependant, le flux pour soudures sans plomb doit réaliser ce mécanisme de réaction à une température plus élevée et donc être actif plus longtemps même à une température de brasage plus élevée. Le flux doit pouvoir s’écouler en quantité suffisante avant la soudure, éliminer les oxydes, transporter les sels résultants avant la soudure et laisser la soudure liquide avec une surface métallique bien propre et pure. Ensuite, le processus de diffusion peut avoir lieu et le joint de soudure est formé. Avec l’augmentation des températures de brasage, le flux doit également être ajusté pour que la pulvérisation du flux et le mouillage soient optimisés. C’est là que les deux flux activés différemment Kristall 600 et 611 entrent en jeu. Ceux-ci ont été développés en combinaison avec les soudures sans plomb et micro-alliées et peuvent ainsi jouer leur plein potentiel sur des surfaces oxydées différemment.Lors de la sélection du flux, vous devez toujours utiliser le plus faible. Tout ce qui ne reste pas sur l’assemblage en tant qu’activateurs et leurs produits de réaction dans le résidu ne peut poser aucun problème de fiabilité à long terme. Toujours aussi fort et autant que nécessaire pour obtenir une bonne réaction de mouillage.
Un autre avantage de ces fils de soudure est qu’ils ne sont fabriqués qu’avec de l’étain de la gamme Stannol Fairtin. Non seulement la qualité des matières premières joue un rôle ici, mais également d’autres facteurs tels que les conditions de travail lors de l’extraction de l’étain, les normes environnementales utilisées et bien plus encore.
Travailler avec une soudure sans plomb
Considérons maintenant le processus de travail avec la soudure sans plomb. Pour un joint de soudure sans plomb, vous avez besoin de plus d’énergie que celui contenant du plomb dans les mêmes conditions-cadres. Cela s’applique à tous les processus de soudage, que vous utilisiez du fil à souder ou de la pâte à souder.La quantité d’énergie requise étant plus élevée, le transfert de chaleur vers le point de soudage doit également être considéré comme l’aspect le plus important lors du soudage. Ici, il est important de créer une surface de contact optimale pour le transfert de chaleur. Dans ce contexte, optimal signifie le plus grand possible! C’est assez facile à faire: utilisez simplement la panne à souder avec la plus grande surface de contact et ne laissez pas la pointe fine de l’aiguille attachée toute la journée. Chaque tâche de soudure a donc une panne de soudure optimale. En raison d’une plus grande zone de transition, cela fournit une plus grande quantité d’énergie en même temps, de sorte que le besoin d’énergie plus élevé pour la fusion de la brasure sans plomb n’a pas à être compensé en augmentant la température de travail. Cela conduirait à nouveau à une usure plus rapide de la panne à souder.
Des recherches ont montré qu’une augmentation de température de 360 ° C à 410 ° C augmente l’usure de la panne de soudage de manière presque exponentielle lors de l’utilisation d’alliages sans plomb. La durée de vie de la panne à souder n’est pas seulement divisée par deux, elle est considérablement réduite. Il faut donc généralement envisager un temps de soudure ou de contact légèrement plus long pour le point de soudure afin de ne pas avoir à 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. Des temps de réaction rapides du fer à souder à une demande de chaleur accrue sont un facteur fondamental pour maintenir la température de travail aussi basse que possible.
Les technologies de pannes à souder actives, dans lesquelles la panne à souder forme une «unité» d’élément chauffant, de capteur et de zone mouillable, ont un temps de chauffe très rapide (environ 3 secondes) et peuvent être réajustées en conséquence rapidement. Cet avantage des pointes chauffées directement va de pair avec un prix beaucoup plus élevé. Mais grâce au temps de chauffage rapide, ces pannes à souder peuvent entrer automatiquement en température de veille plus rapidement, ce qui réduit l’usure et la consommation d’énergie.
Les technologies de pointe à souder passives séparent l’électronique de commande du fer à souder (élément chauffant / capteur) de la panne à souder, qui peut ensuite être remplacée en tant que pièce d’usure – et coûte moins cher. Afin de pouvoir utiliser de manière optimale l’efficacité de la technologie passive, une bonne surface de contact entre la panne à souder et le fer à souder est importante et un outil de soudage puissant d’au moins 80 W ou plus est essentiel (par exemple Weller WSP 80, WTP 90, WXP 120).
Si vous avez ensuite sélectionné le fil de soudure avec le flux optimal, qui peut éliminer les oxydes présents, vous pourrez obtenir une bonne réaction de mouillage.
L’apparence des joints de soudure sans plomb est un peu différent des joints de soudure contenant du plomb. Alors que la «règle 3G» (uniforme, lisse et brillante) s’applique toujours aux joints de soudure contenant du plomb, ces critères ne s’appliquent que dans une mesure limitée aux joints de soudure sans plomb. Le critère le plus important pour un joint de soudure sans plomb est le “ménisque” bien formé. Cet angle de mouillage visible peut être vu sur la surface du joint de soudure. Étant donné que la composition des alliages sans plomb et contenant de l’argent signifie que les surfaces sont plus rugueuses, elles ne peuvent pas briller aussi bien et elles ne peuvent pas vraiment répondre à la règle «3G». Mais ici aussi, il existe des soudures sans argent avec des composants en micro-alliage qui peuvent créer un joint de soudure brillant avec une soudure à base de SnCu. Flowtin TC ou SN100c sont mentionnés ici à titre d’exemples.
Conclusion
Le soudage sans plomb n’est pas difficile – c’est juste différent du soudage avec des soudures au plomb.
Les critères de qualité changent et les outils de soudage à utiliser peuvent devoir être adaptés. Mais la sécurité électrique d’un point de soudure sans plomb n’est en rien inférieure à un point de soudure plombé! Si vous vous êtes familiarisé avec la modification du comportement d’étalement et de mouillage d’un alliage sans plomb et que vous acceptez un temps de soudage légèrement plus long afin de ne pas augmenter inutilement la température, vous constaterez rapidement que la soudure est en fait inchangée.
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Étain de soudure HS10 FAIR sans plomb avec teneur en cuivre, Ø 1
Cette contribution provient de la société STANNOL GMBH & Co. KG
