Évolution de la technologie : Iver Anderson prend la tête de la soudure électronique

Mar 12, 2023

Iver Anderson, inventeur. Du site Web du National Inventors Hall of Fame.

La soudure, le processus par lequel deux éléments sont assemblés en faisant fondre un métal d'apport à bas point de fusion et en versant du métal liquide sur le joint, est un processus qui est utilisé dans de nombreux processus importants de travail des métaux aujourd'hui, de la fabrication de l'électronique à l'installation de tuyaux de plomberie. Cependant, les preuves de techniques de soudure primitives remontent à des milliers d'années sur des sites de l'ancienne Mésopotamie.

Pendant longtemps, une grande partie du processus de brasage utilisé par diverses industries reposait sur l'utilisation de soudures à base d'étain-plomb, dont les impacts sur la santé et l'environnement ont conduit à l'adoption de lois telles que la loi de 1986 sur la sécurité de l'eau potable. Les soudures à base de plomb étaient un contributeur majeur au plomb qui s'infiltre dans les approvisionnements en eau et ces soudures et tuyaux ont contribué à des crises sanitaires telles que les niveaux élevés de plomb dans l'eau potable de Flint, MI. Des niveaux élevés de plomb dans le corps humain peuvent entraîner des problèmes de développement chez les enfants ainsi que de l'hypertension artérielle et des lésions rénales chez les adultes.

Dimanche dernier, le 18 juin, marquait le 21e anniversaire de la délivrance d'un important brevet protégeant une soudure sans plomb qui a trouvé de grandes applications dans la fabrication électronique et d'autres industries. Son inventeur, le professeur et métallurgiste Iver Anderson, est l'un des intronisés 2017 au National Inventors Hall of Fame. Aujourd'hui, 70 % des produits électroniques fabriqués dans le monde utilisent la soudure sans plomb d'Anderson. Les redevances du brevet, qui a expiré en 2013, ont dépassé 58 millions de dollars, ce qui en fait le brevet le plus précieux de l'histoire du laboratoire Ames et de l'Iowa State University, installations où Anderson a achevé la recherche et le développement de son invention.

Dans le monde de l'électronique, la soudure est une étape cruciale pour assembler les nombreux composants électroniques minuscules à l'intérieur de l'appareil de manière à permettre à un courant électrique de circuler, permettant aux fonctions électroniques de l'appareil d'avoir lieu. Les circuits peuvent être créés sur une planche à pain sans soudure mais sans soudure, un circuit se détériorera en quelques jours. Bien que la soudure soit également utilisée pour joindre les tuyaux dans les applications de plomberie, le type de soudure utilisé est différent ; la soudure utilisée pour les applications électroniques est d'un calibre beaucoup plus petit que la soudure de plomberie et la soudure de plomberie utilise un composant de flux acide qui est trop corrosif pour les applications électroniques.

Pendant de nombreuses années, les matériaux à base de plomb étaient le choix le plus populaire pour le soudage dans les applications électroniques pour plusieurs raisons. Les soudures à base de plomb étaient rentables, avaient un point de fusion bas, une résistance élevée et une bonne résistance à la corrosion. Bien que l'ensemble des connaissances sur les effets toxiques du plomb sur les humains et l'environnement ait augmenté tout au long du 20e siècle, il n'y avait pas de soudures sans plomb qui avaient des caractéristiques similaires aux soudures à base de plomb disponibles pour remplacer l'utilisation du plomb dans les produits électroniques.

À la fin des années 1990, l'industrie américaine de la microélectronique prenait des mesures pour développer des solutions sans plomb pour le soudage des composants électroniques. Les normes électroniques développées en 1997 par l'Association Connecting Electronics Industries (IPC) ont amorcé l'abandon par l'industrie électronique de l'utilisation de la soudure à base de plomb en réponse aux pressions législatives et réglementaires. Selon l'Institut national des normes et de la technologie (NIST), le besoin au sein de l'industrie de données sur les matériaux pour les soudures sans plomb a également été spécifié par la feuille de route technologique internationale de 1999 pour les semi-conducteurs.

À l'échelle internationale, l'environnement réglementaire entourant l'utilisation de soudures à base de plomb dans la fabrication électronique s'est intensifié au cours de la première décennie du 21e siècle. En février 2003, l'Union européenne a promulgué une loi interdisant la fabrication de produits électroniques contenant du plomb ou l'expédition de tels produits vers l'UE ; cette loi est entrée en vigueur en juillet 2006. Les régulateurs japonais ont également décidé de réduire les niveaux de plomb utilisés dans la fabrication électronique d'ici la fin des années 1990.

À la fin des années 1990, cependant, Iver Anderson avait déjà développé la soudure sans plomb qui deviendrait le produit de soudure leader de l'industrie en environ deux décennies. Au lieu d'un alliage étain-plomb, Anderson et son équipe de recherche se sont concentrés sur l'utilisation d'un alliage étain-argent-cuivre (Sn-Ag-Cu) pour le brasage. Tout comme la version précédente à base de plomb, la soudure étain-argent-cuivre se comportait comme un métal pur avec un seul point de fusion.

La découverte d'Anderson est en fait née d'une erreur qu'il a vue dans les diagrammes ternaires étain-argent-cuivre en usage à l'époque. Bien que la température de fusion de l'alliage Sn-Ag-Cu soit supérieure de 30 °F à celle des alliages à base de plomb, elle était encore beaucoup plus basse qu'on ne le pensait auparavant et à une température suffisamment basse que les composants électroniques typiques pour les circuits et les équipements pouvaient tolérer. Anderson et son équipe ont également expérimenté l'amélioration des caractéristiques mécaniques et de stabilité thermique de la soudure en dopant le matériau avec du nickel, du zinc et/ou de l'aluminium.

Les recherches d'Anderson et de son équipe ont conduit à la délivrance du brevet américain n° 5527628, intitulé Pb-Free Sn-Ag-Cu Ternary Eutectic Solder, délivré le 18 juin 1996. Il revendiquait une soudure de conducteur électrique sans plomb composée essentiellement de environ 3,5 à 7,7 % en poids d'argent, environ 1 à 4 % en poids de cuivre et au moins environ 89 % en poids d'étain pour favoriser la formation de composés intermétalliques qui améliorent la résistance de la soudure et la résistance à la fatigue. Le brevet note également que la soudure inventée est compétitive par rapport aux soudures à base de plomb et est facilement disponible pour une utilisation à volume élevé.

Avec des redevances pour ce seul brevet atteignant des dizaines de millions, il est clair que le travail d'Anderson et de l'équipe de recherche de l'Université de l'Iowa a eu une valeur énorme pour l'industrie. Ceci est intéressant compte tenu du fait que cette invention semble très similaire à celle déclarée inéligible au brevet par la Cour suprême des États-Unis dans Mayo Collaborative Services v. Prometheus Laboratories, où le tribunal a conclu qu'un brevet couvrant un test sanguin moins invasif pour le diagnostic fœtal conditions était invalide parce qu'il incorporait une loi de la nature.

Le développement futur des soudures sans plomb devrait améliorer les performances des applications grand public étendues, y compris l'électronique automobile et les appareils électroniques plus robustes. Depuis son intronisation en 2017 au National Inventors Hall of Fame, Anderson détenait 39 brevets. En 2010, il a reçu le prix Iowa State University Award for Achievement in Intellectual Property. En 2015, Anderson a été reconnu comme Fellow de la Mineral, Metals and Materials Society.

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