Soudure

Oct 29, 2023

La plupart des gens ne réalisent pas que la soudure de composants électroniques est une activité très complexe avec des processus thermiques et chimiques compliqués se déroulant dans un très petit espace. Cependant, si vous suivez certaines règles de base, vous ne rencontrerez aucun problème. Les joints de soudure doivent faire plus que simplement établir un bon contact : ils doivent également être mécaniquement résistants et ils ne doivent pas s'oxyder. De plus, ils doivent être exempts de résidus chimiques, tels que le flux, car le flux peut attaquer les surfaces métalliques à proximité ainsi que les plastiques. Les soudures sont généralement divisées en trois catégories : grand public, industriel et haut de gamme. Ce dernier est utilisé dans des domaines tels que l'automobile ou des environnements où la vie ou la santé est en jeu. En tant que fabricants, nous nous intéressons principalement à la soudure manuelle pour la construction et le développement de bricolage.

La soudure au plomb a été la norme pendant de nombreuses années. Il a de bonnes caractéristiques de mouillage et d'écoulement et un point de fusion relativement bas d'environ 183°C. En suivant la règle empirique selon laquelle la température de travail à la pointe de la soudure est égale au point de fusion de l'alliage plus 120°C, cela correspond à une température de soudure d'environ 300°C. Le flux dans le fil de soudure est destiné à dissoudre les oxydes au joint de soudure. L'étain dans la soudure fusionne avec le cuivre (ou une autre couche métallique) pour produire une zone de diffusion intermétallique constituée d'un alliage des deux métaux. Il en résulte normalement un joint de soudure bien formé, durable et avec une bonne résistance mécanique.

Malheureusement, ce n'est pas toujours le cas - parfois vous obtenez un joint de soudure à froid (Figure 1 ). Les joints de soudure à froid sont causés par des couches métalliques fortement oxydées, de la saleté, une mauvaise température ou une solidification précoce pendant le processus de fusion. Les joints de soudure à froid ont une résistance de joint excessive et peuvent même entraîner le détachement de composants. Les images au microscope électronique dansFigure 2montrent les défauts d'un joint de soudure à froid par rapport à un bon joint de soudure.

À l'époque de la soudure au plomb, les joints de soudure à froid étaient clairement reconnaissables en raison de leur surface mate mate, au lieu de la surface brillante d'un bon joint de soudure. Malheureusement, ce n'est plus vrai avec les soudures sans plomb. Avec les nouveaux alliages, les joints de soudure ont généralement une surface mate en fonction de la composition spécifique, qu'ils soient froids ou bons (voirfigure 3).

L'introduction de la soudure sans plomb en 2006 a rendu la soudure manuelle un peu plus difficile. Les nouvelles soudures sont désignées comme conformes RoHS, ce qui signifie qu'elles sont conformes à la directive européenne sur la restriction de certaines substances dangereusesi. Les soudures sans plomb ne doivent pas contenir plus de 0,1 % de plomb. Ceci est principalement destiné à éviter l'inhalation de vapeurs toxiques, mais le risque était en fait assez faible car des systèmes d'extraction appropriés étaient disponibles (en supposant qu'ils soient utilisés). Pendant longtemps, les gens n'étaient pas conscients des dangers liés au travail avec le plomb. Par exemple, autrefois, un typographe professionnel perdait toutes ses dents en quelques années à cause du type de plomb.

Quiconque travaille pour la première fois avec de la soudure sans plomb remarque immédiatement que la nouvelle soudure a besoin d'une température nettement plus élevée et a des caractéristiques d'écoulement différentes. De nombreux composants n'aiment pas ces températures élevées, c'est pourquoi des efforts ont été faits pour les contrer au moyen de flux innovants et de temps de brasage plus courts. Tout cela rend le fil de soudure sans plomb plus cher (voir ci-dessous). Cela signifie également que vous devez vous méfier des fils de soudure sans plomb particulièrement bon marché, qui ne sont souvent pas ce qu'ils prétendent être. Si vous travaillez avec une température trop élevée, vous pouvez facilement endommager un composant sensible ou, pire encore, détacher rapidement un tampon de soudure du PCB. Les développeurs et fabricants amateurs sont toujours autorisés à utiliser de la soudure au plomb, tant qu'ils ne distribuent pas leur produits sur une base commerciale. Cela signifie que la vente d'un nombre relativement important de choses que vous fabriquez dans votre laboratoire à domicile n'est pas autorisée.Figure 4montre qu'en plus de la soudure conforme RoHS, les "fabricants" utilisent toujours la soudure au plomb.

La plupart des alliages sans plomb couramment utilisés ont maintenant une teneur en étain nettement plus élevée. Auparavant, il était d'environ 63 %, mais il est maintenant d'environ 95 %, selon le fabricant. Cela élève le point de fusion de l'alliage dans la plage de 217°C à 227°C. Auparavant, l'étain dans la soudure était le composant qui formait la zone intermétallique et pouvait fusionner avec les surfaces métalliques soudables. Le plomb était toujours le composant inactif de l'alliage, avec l'avantage qu'il rendait le fil de soudure moins cher et réduisait la fusion. pointe de l'étain de 232°C à 183°C. Avec plus d'étain dans la soudure maintenant, ainsi qu'une température de soudure plus élevée, vous devez faire un peu plus attention à vos outils et à la métallisation des composants. La soudure fusionne non seulement plus rapidement avec les surfaces en cuivre, mais enlève également le cuivre de la surface plus rapidement.

Avec les alliages sans plomb standard, la température de fusion de 217°C mentionnée précédemment, l'une des températures de fusion les plus basses possibles, ne peut être atteinte que dans la composition habituelle avec un alliage composé de 95,5% d'étain, 0,7% de cuivre et environ 3,8% argent. Cet alliage a l'avantage d'un point de fusion relativement bas, mais l'inconvénient est que la teneur en argent légèrement inférieure à 4% peut facilement rendre le fil de soudure deux fois plus cher.Cet alliage contenant de l'argent peut être rendu plus économique en réduisant le teneur en argent à 3 %. Ensuite, l'alliage aura une plage de température de fusion de 217 à 223°C, ce qui n'est pas particulièrement perceptible pour le brasage ou pour la durée de vie du joint de soudure. Les alliages plus économiques sont constitués, par exemple, de 99,3 % d'étain et de 0,7 % de cuivre. , résultant en un point de fusion défini de 227°C. Pour cela, il n'est pas absolument nécessaire d'élever la température de la panne de 10°C par rapport à un alliage contenant de l'argent (Figure 5).

En théorie, la température du fer à souder devrait être réglée à 350°C pour la dernière soudure sans plomb mentionnée. Si vous avez besoin de 10 à 20°C de plus pour apporter une certaine quantité de chaleur en peu de temps, c'est certainement possible, mais les températures supérieures à 380°C endommagent généralement la carte et les composants plus qu'elles n'aident à la soudure. Le flux dans le noyau du fil de soudure brûle également beaucoup plus rapidement et ne peut faire son travail que pendant un certain temps à une certaine température. Chaque augmentation de température de 10°C réduit de moitié la durée de vie active du flux ; le temps disponible pour éliminer les oxydes se raccourcit, et à un moment donné, il n'est plus assez long. Les alliages mentionnés ci-dessus diffèrent naturellement d'un fabricant à l'autre, et ils peuvent certainement contenir des composants supplémentaires. Pour des raisons liées aux brevets, les fabricants ne divulguent généralement pas ces informations. Le brasage tendre implique toujours l'apport de la quantité d'énergie requise et l'atteinte d'une certaine température minimale. La soudure doit être liquide et avoir une certaine température au-dessus du point de fusion. Cela permet la fusion des couches métalliques pour former un joint de soudure solide. Tous les alliages sans plomb mentionnés précédemment sont suffisamment durables. Très grossièrement, les soudures contenant de l'argent sont mieux adaptées aux applications avec des cyclages de température plus forts, qui s'accompagnent souvent de contraintes mécaniques persistantes ou de vibrations. Cela s'applique, en particulier, au déploiement de haute technologie mentionné précédemment dans l'électronique automobile ou l'équipement médical.

Le fil de soudure se compose non seulement d'un alliage mais également du flux mentionné précédemment. Au tout début, il n'y avait pas de fil à souder avec un noyau de flux, alors les gens se contentaient de pâtes à souder ou même de flux faits maison. Une recette courante consistait en du trichloroéthylène mélangé à de la colophane, qui portait le nom de "miel de soudure". La tâche d'un flux est d'éliminer les oxydes des pièces concernées : le composant, le circuit imprimé et, bien sûr, la soudure liquide. . Cela devrait se produire aussi longtemps que possible, afin de donner la fenêtre de temps la plus longue possible pour le brasage. Une distinction est faite entre les flux halogénés et non halogénés. Les deux types éliminent les oxydes au moyen d'une réaction acide-oxyde métallique. Avec les soudures sans plomb, cette réaction doit avoir lieu à des températures plus élevées et elle doit être active plus longtemps à des températures de soudure plus élevées. Le flux doit pouvoir s'écouler devant la soudure en quantité suffisante, éliminer les oxydes, éloigner les sels résultants de la soudure et laisser la soudure liquide avec une belle surface propre et purement métallique. D'autre part, il ne doit pas y avoir trop de flux présent, de sorte que les résidus excessifs ne doivent pas être éliminés par la suite. Le flux solidifié est non seulement peu attrayant mais (contrairement à l'opinion populaire) il reste généralement chimiquement actif, vous devez donc, dans tous les cas, être prudent.

Plus d'énergie est nécessaire pour un joint de soudure sans plomb que pour un joint de soudure au plomb conventionnel. Comme la quantité d'énergie requise est plus élevée, vous devez considérer le transfert de chaleur vers le joint de soudure comme un aspect important de la soudure. Chaque tâche de soudure nécessite une panne à souder avec une surface de transfert de chaleur appropriée afin que l'énergie plus élevée nécessaire pour faire fondre la soudure sans plomb ne doive pas être obtenue uniquement en augmentant la température de travail.

Choisir la bonne panne à souder (Figure 6 ) est donc une considération importante, tout comme le nettoyage continu de la pointe, car elle s'oxyde également et se recouvre de tartre sous un stress thermique élevé. La surface de contact d'une panne à souder a également tendance à se creuser après une longue utilisation. Cela réduit considérablement le transfert de chaleur efficace. Des études ont montré que lors de l'utilisation d'alliages sans plomb, l'augmentation de la température (par exemple de 360°C à 410°C) a un effet presque exponentiel sur l'usure de la panne à souder et raccourcit considérablement la durée de vie de la panne. pointe à souder. Pour cette raison, il est généralement conseillé d'utiliser un temps de brasage ou un temps de contact légèrement plus long au lieu d'augmenter la température de travail. Une station de soudage de 80 W ou plus serait le bon choix.

La soudure sans plomb n'est pas plus compliquée ; c'est juste différent. Tout d'abord, vous devez vous familiariser avec les différentes caractéristiques d'étalement et de mouillage de la soudure sans plomb. Vous avez également besoin d'un temps de soudure légèrement plus long, pour éviter d'augmenter inutilement la température de soudure. En fait, peu de choses ont changé. Il est conseillé d'essayer plusieurs soudures différentes pour trouver celle qui vous convient le mieux. De manière générale, les soudures à teneur relativement élevée en argent sont préférables, même si elles coûtent plus cher.

Maintenant, nous ne sommes plus exposés aux vapeurs de plomb, mais les vapeurs réelles proviennent du fondant, et personne ne sait exactement ce qu'il y a dans le fondant. Une unité d'extraction de vapeur de soudure (même petite) est donc toujours un bon investissement.

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Traduction : Kenneth Cox