Le monde fascinant des alliages de soudure et de la métallurgie

Jun 13, 2023

La soudure est la colle métallique conductrice que l'on utilise pour coller les composants ensemble. Si vous chauffez suffisamment le composant et le circuit imprimé et que vous faites fondre un peu de soudure dans le joint, il restera en place et conduira de manière fiable. Mais c'est loin d'être simple.

Il existe de nombreux alliages de soudure différents, et même la pointe du fer à souder elle-même est un chef-d'œuvre multi-matériaux. Dans cet article, nous examinerons la métallurgie derrière la soudure et vous comprendrez pourquoi l'entretien de la panne à souder et son remplacement régulier sont une bonne idée. Naturellement, nous aborderons également le rôle que joue le plomb dans les alliages de soudure et quel est l'effet de son remplacement par d'autres métaux lorsqu'il n'y a plus de plomb. Tu soudes avec quoi ?

La soudure et son cousin à température plus élevée, le brasage, sont l'une des deux manières de créer des liaisons métal-métal, et elles permettent l'utilisation de techniques à basse température qui créent encore des liaisons relativement stables entre deux surfaces métalliques. La soudure est également un chapitre intéressant dans le domaine de la métallurgie, car elle repose sur des composés dits intermétalliques (IMC).

Le soudage contraste avec le brasage, où des températures élevées font fondre le métal des deux côtés des pièces à assembler, les fusionnant de manière permanente. Le soudage est un moyen très résistant et très fiable d'assembler des pièces métalliques, mais il est malheureusement totalement inadapté aux composants électroniques délicats où une chaleur excessive peut endommager les pièces et où l'objectif est davantage de "coller" des éléments conducteurs d'électricité que de les faire fondre ensemble.

Cela nous amène également à la raison pour laquelle la soudure et les IMC sont une telle source de problèmes, au point que les IMC sont qualifiés de « diaboliques ». Les IMC sont essentiellement des morceaux des deux surfaces métalliques de chaque côté dissous dans la soudure, provoquant une jonction suffisante pour que chaque côté du joint soit fusionné de manière plus ou moins stable avec la soudure. Malheureusement, un tel IMC est bien loin du métal solide stable d'un joint de soudure et, par conséquent, peut être cassant en fonction des métaux impliqués dans l'alliage de soudure.

Mais les IMC formés lors de la soudure sont suffisamment solides et leur formation est à l'origine de la raison pour laquelle chaque alliage de soudure utilise de l'étain. L'étain a la propriété de permettre à d'autres métaux de s'y dissoudre. En fait, il est possible de souder avec de l'étain pur, même si, comme nous le verrons ci-dessous, la plupart des soudures sont améliorées en ajoutant d'autres métaux au mélange.

La soudure ne fond pas d'elle-même, et même la construction de la pointe du fer à souder a beaucoup de métallurgie cachée sous la peau. Les pointes elles-mêmes sont des structures composites, généralement constituées d'un noyau en cuivre tellure, recouvert d'une couche de fer durable, normalement recouverte d'étain pour la partie censée être "mouillable" et de chrome pour la partie sous la pointe où la soudure n'est pas censée coller. La couche de fer a été ajoutée pour empêcher l'étain dans la soudure de dissoudre le cuivre de la pointe, ce qui était autrefois un problème important.

La couche de fer est un mauvais conducteur thermique et doit être maintenue aussi mince que possible sans perdre les avantages de durabilité qu'elle procure. Mais parce que le fer rouille, il doit être recouvert d'une fine couche d'étain provenant de la soudure.

Si des oxydes de fer se forment, il existe plusieurs façons d'éliminer cette accumulation. Cela implique essentiellement des méthodes abrasives pour éliminer physiquement la couche d'oxyde, ou l'utilisation d'un étameur de pointe, qui génère un acide lorsqu'il est exposé à la chaleur du fer à souder. Cet acide est plus fort que l'acide doux du flux, il devrait donc éliminer même les oxydes de fer. La soudure fraîche est mélangée avec un nettoyant pour pointe, de sorte que la pointe est immédiatement enduite et prête à l'emploi.

Quand il s'agit de ce rouleau de soudure que les gens ont, rarement plus qu'une réflexion superficielle sur l'alliage dont il s'agit, et quelles sont les propriétés exactes de cet alliage. Vous pourriez penser que la soudure est "avec plomb" par opposition à "sans plomb", mais il y a beaucoup plus à savoir que cela.

S'en tenir à la soudure à base de plomb pour l'instant, un coup d'œil rapide révèle qu'il existe un certain nombre de types populaires, ainsi que leurs températures de fusion, ici :

Les mélanges 60/40 et 63/37 d'étain et de plomb sont les plus courants chez les amateurs. Une propriété intéressante de certains de ces alliages est qu'ils sont eutectiques, ce qui signifie que dans leur diagramme de phase, tous les métaux de l'alliage sont assortis dans leurs phases liquide et solide : les soudures eutectiques fondent complètement à une seule température.

Dans les alliages sans plomb, là aussi nous avons une liste impressionnante :

Ici, nous pouvons voir que les alliages sans plomb ont en effet un point de fusion plus élevé que la soudure au plomb en moyenne, et il existe des alliages eutectiques et non eutectiques disponibles.

L'avantage d'un alliage eutectique est qu'il est beaucoup plus facile d'obtenir un joint beau avec lui. Bien que la soudure non eutectique fonctionne toujours, il existe un risque beaucoup plus grand de défauts dans le joint résultant, ce qui peut entraîner des fissures et d'autres problèmes au fil du temps. Les alliages eutectiques, en raison de la matrice moléculaire de tous les métaux dans l'alliage se formant en même temps lors de la solidification, ont tendance à créer des joints très réguliers, mécaniquement et électriquement stables.

Concrètement, lorsque l'on passe d'une soudure au plomb à une soudure sans plomb, il y a deux gros changements :

Comme l'indique ce PDF de Kester, l'étain dans la soudure se joint non seulement au joint de soudure, mais dissout également le cuivre et le fer dans la pointe elle-même, c'est pourquoi les pointes finissent par s'user. Une pointe conçue pour une soudure à base de plomb 63/37 ne durera donc pas aussi longtemps lorsqu'elle est utilisée avec une soudure sans plomb telle que Sn99.3Cu0.7 ou Sn95.5Ag3.8Cu0.7, car le placage de fer se dissoudra beaucoup plus rapidement dans l'étain.

Inversement, des problèmes peuvent également survenir. Bien que l'on puisse utiliser sans problème une panne à souder conçue pour les alliages sans plomb avec des alliages à base de plomb, ce n'est jamais une bonne idée d'utiliser cette panne par la suite pour une soudure sans plomb. Des traces de plomb peuvent pénétrer dans la soudure sans plomb et perturber la façon dont celle-ci fond puis se solidifie, provoquant probablement des joints défectueux et peu fiables.

En parlant de métallurgie de la soudure à base de plomb, il est difficile d'éviter les éléphants jumeaux gargantuesques dans la pièce : les conséquences du plomb sur la santé et la formation de moustaches d'étain. Un précédent article de Ask Hackaday en a déjà parlé récemment. Les implications pour la santé sont assez faciles à résumer : le plomb est l'une des rares substances pour lesquelles aucune quantité ne peut être considérée comme sûre. Le plomb s'accumule dans le corps et il est primordial d'éviter la contamination par le plomb sur le lieu de travail en nettoyant toutes les surfaces contaminées.

Quant à la vapeur produite lors de la soudure - qu'elle soit sans plomb ou à base de plomb - elle ne contiendra pas de plomb, mais elle contiendra la vapeur de fondant chauffée, qui dans le cas de la colophane produit de la colophane. Il s'agit d'un mélange complexe de gaz et de particules qui se sont avérés irritants pour le système respiratoire humain, endommageant ainsi les tissus pulmonaires.

La formation de moustaches d'étain a été un sujet majeur, bien avant le passage aux soudures sans plomb. Malheureusement, la formation de whiskers en métallurgie est un phénomène mal compris, avec l'explication habituelle impliquant la résistance à la compression provoquant la croissance de ces whiskers. Bien que l'ajout de plomb à la soudure à base d'étain ait aidé à réduire la croissance des moustaches, ce n'est pas une solution complète.

L'application d'un revêtement conforme, ou l'utilisation d'alliages spécifiques, peut contribuer à limiter la formation de trichites d'étain. Il convient également de noter que ce n'est pas seulement l'étain qui est susceptible de former des barbes, d'autres métaux sont également impliqués. Jusqu'à ce que nous comprenions mieux la physique derrière cela, l'empêcher signifie trouver la bonne formation d'alliage par pure chance.

Alors que nous passons un bon moment à souder, c'est aussi une entrée dans la science de la métallurgie, et même au-delà. Mais après avoir lu ceci, nous espérons que vous réfléchissez un peu plus à votre alliage de soudure et que vous gardez votre panne exempte de rouille et étamée, quel que soit le mélange de votre choix. Et nous serions ravis d'entendre vos histoires de moustaches d'étain.