L'évolution des technologies de soudage dans l'industrie électronique a été marquée par un changement crucial des soudures traditionnelles à base de plomb vers des alternatives sans plomb respectueuses de l'environnement. Pendant des années, le brasage à base de plomb, utilisant principalement des alliages étain-plomb, a été la norme de l'industrie, appréciée pour son prix abordable et ses excellentes propriétés physiques. Cependant, la prise de conscience croissante des risques environnementaux et sanitaires associés au plomb a conduit à des réglementations strictes, incitant à l’exploration et à l’adoption de solutions de brasage sans plomb.
Cet article approfondit la comparaison critique entre le brasage au plomb et sans plomb pour les cartes de circuits imprimés, disséquant leurs caractéristiques physiques, chimiques, environnementales et fonctionnelles. Des points de fusion à la mouillabilité, en passant par la formation de moustaches d'étain, les coûts, l'impact environnemental et la longévité, nous explorons comment le choix entre ces méthodes de brasage peut influencer de manière significative la fabrication électronique.
Qu'est-ce que la soudure à base de plomb
La soudure à base de plomb fait référence à un type d’alliage de soudure qui contient du plomb comme l’un de ses principaux composants. La formulation la plus courante de soudure à base de plomb est l'alliage étain-plomb (Sn-Pb), le rapport étain/plomb étant généralement d'environ 60:40. Ce rapport spécifique est souvent appelé composition eutectique, où l'alliage a un point de fusion distinct, lui permettant de passer directement d'un état solide à un état liquide et vice versa.
La soudure à base de plomb a toujours été largement utilisée dans diverses industries, en particulier dans la fabrication électronique, pour ses propriétés favorables telles qu'un point de fusion relativement bas (environ 183°C ou 361°F), sa facilité d'utilisation et sa rentabilité. Il s'agit d'un choix populaire pour créer des joints de soudure sur des cartes de circuits imprimés (PCB) afin de connecter des composants électroniques tels que des résistances, des condensateurs et des circuits intégrés.
Cependant, l'utilisation de soudures à base de plomb a diminué au fil des années en raison des préoccupations croissantes concernant les risques environnementaux et sanitaires associés à l'exposition au plomb. En conséquence, il y a eu une tendance mondiale vers l’adoption d’alternatives de soudure sans plomb, conformément aux réglementations visant à réduire l’impact des substances dangereuses dans les produits électroniques.
Qu'est-ce que la soudure sans plomb
La soudure sans plomb fait référence à un type d’alliage de soudure qui ne contient pas de plomb comme l’un de ses principaux composants. L'évolution vers le brasage sans plomb a été motivée par des préoccupations environnementales et sanitaires associées à l'utilisation de brasures à base de plomb. Divers alliages de soudure sans plomb ont été développés comme alternatives à la soudure étain-plomb (Sn-Pb) traditionnelle, dans le but de maintenir les performances et la fiabilité des joints de soudure tout en éliminant les effets toxiques du plomb. Le point de fusion de la soudure sans plomb peut aller de 50 à 200 °C ou plus. Une capacité de mouillage adéquate dans la soudure sans plomb nécessite environ 2 % de flux en masse.
Plusieurs alliages de soudure sans plomb sont disponibles et les fabricants peuvent choisir celui qui répond le mieux à leurs besoins spécifiques. Certains alliages de soudure sans plomb courants comprennent :
Étain-Bismuth (Sn-Bi) : Cet alliage a un point de fusion plus bas que d'autres alternatives sans plomb, ce qui le rend adapté aux applications où des températures de brasage plus basses sont souhaitables.
Étain-Argent (Sn-Ag) : Cet alliage, sans cuivre, est un autre choix sans plomb populaire. Il offre une bonne résistance à la fatigue thermique et est largement utilisé dans la fabrication électronique.
Étain-Zinc (Sn-Zn) : Cet alliage est utilisé dans certaines formulations de soudure sans plomb, offrant une alternative sans utilisation d’argent ou de cuivre.
Le brasage sans plomb est devenu une pratique standard dans de nombreuses industries, en particulier dans la fabrication électronique, afin de se conformer aux réglementations environnementales telles que la directive sur la restriction des substances dangereuses (RoHS).
Soudure au plomb ou soudure sans plomb
La soudure au plomb et la soudure sans plomb sont deux types d'alliages de soudure utilisés dans diverses industries, en particulier dans la fabrication électronique pour des applications telles que l'assemblage de cartes de circuits imprimés (PCB). Voici une comparaison entre la soudure au plomb et la soudure sans plomb.
Point de fusion
La soudure au plomb (par exemple Sn-Pb) avec un point de fusion de 183 °C contraste avec les soudures sans plomb (par exemple Sn-Ag-Cu) allant de 217 à 227 °C. La soudure sans plomb répond aux préoccupations environnementales mais pose des défis tels que des points de fusion plus élevés. Le changement de cap de l'industrie reflète un équilibre entre la responsabilité environnementale et les considérations techniques. Les soudures sans plomb sont plus difficiles à travailler en raison de leurs points de fusion élevés, qui s'écartent considérablement du point de fusion inférieur de 83°C/361°F des alliages de plomb.
| Pâte à souder | Température de fusion |
| Soudure Pb-37Sn à base de plomb | 183 ° C | 361.4F |
| Soudure Sn-3.5Ag sans plomb | 221 ° C | 429.8F |
| Soudure Sn-58Bi sans plomb | 139 ° C | 282.2F |
| Soudure Sn-0.7Cu sans plomb | 227 ° C | 440.6F |
| Soudure Sn-8.8Zn sans plomb | 198 ° C | 388.4F |
| Soudure Sn-3.4Ag-4.8Bi sans plomb | 205 ° C | 401F |
| Soudure sans plomb Sn-3.8Ag-0.7Cu | 217 ° C | 422.6F |
| Soudure Sn-8Zn-3Bi sans plomb | 197 ° C | 386.6F |
Cliquez ici pour vérifier l'effet de différentes concentrations d'éléments sur le point de fusion de l'alliage de soudure.
Caractéristiques physiques
En termes de caractéristiques physiques, la soudure au plomb est plus douce que la soudure sans plomb, ce qui peut avoir un impact sur la résistance de contact. Malgré son point de fusion élevé, la soudure sans plomb subit moins de modifications et d'effets thermiques, ce qui la rend fiable pour l'assemblage CMS au fil du temps. Cependant, la soudure sans plomb semble moins brillante et plus lisse que la soudure au plomb, et sa moindre mouillabilité soulève des inquiétudes quant à la fiabilité des joints. Il est crucial d’équilibrer ces facteurs lors du choix entre une soudure avec ou sans plomb pour des applications spécifiques.
| Paramètres | Soudure au plomb | Soudure sans plomb | Unités |
|---|
| Conductivité électrique | 11.5 | 15.6 | SIGC |
| Conductivité thermique | 50 | 73 | (W/m) * 1 k * 1 s |
| Point de fusion | 183 | 218 | ° C |
| Résistivité | 15 | 11 | M ohm-cm |
| Surface Tension | 481 | 548 | mN / m |
| Durée de vie en fatigue | 3 | 1 | |
| TCE | 23.9 | 21.4 | micromètres/M/°C |
| Densité | 8.5 | 7.44 | g / cm3 |
| Résistance au cisaillement | 23 | 27 | MPa |
Impact environnemental et santé
La toxicité du plomb est une préoccupation majeure, car il se bioaccumule et libère des substances nocives lors du soudage, entraînant des problèmes respiratoires, une irritation des yeux et des effets cancérigènes potentiels. Les précautions de sécurité, telles que le port de masques et le fait d'éviter toute ingestion lors du soudage au plomb, sont cruciales. Les directives de l'UE, DEEE et RoHS, en vigueur depuis le début des années 2000, interdisent le plomb dans la fabrication de produits électroniques à l'échelle mondiale. Le brasage sans plomb est de plus en plus adopté par les entreprises soucieuses de l'environnement, reconnaissant les risques du plomb pour la santé, en particulier pour les populations vulnérables. Malgré l'élimination du plomb dans certaines industries, la soudure reste une source d'exposition, soulignant l'importance des précautions sanitaires pour les travailleurs des industries émettrices de plomb.
L’image ci-dessous répertorie certains symptômes du saturnisme chez l’homme.
Longévité
Les joints de soudure au plomb, connus pour leurs composés intermétalliques robustes, peuvent offrir une meilleure résistance aux cycles thermiques. En revanche, les joints de soudure sans plomb, plus susceptibles à la fissuration, sont influencés par des températures de traitement plus élevées. Les facteurs affectant la longévité comprennent les cycles de température, les contraintes mécaniques et l’environnement d’exploitation. Les progrès continus dans le domaine de la soudure sans plomb visent à améliorer la fiabilité, réduisant ainsi l'écart avec la soudure au plomb. Le choix dépend des exigences de l'application, des préoccupations environnementales et de l'équilibre entre performances et durabilité.
Prix
Le plomb, à environ 2 dollars le kg, est nettement moins cher que l'étain (environ 30 dollars le kg) et l'argent (plus de 750 dollars le kg). Le coût inférieur du plomb contribue à une production plus économique de soudures à base de plomb, ce qui a un impact sur le prix global de l'alliage à mesure que le pourcentage de plomb augmente.
La soudure au plomb, avec sa rentabilité et ses processus de production établis, contraste avec la soudure sans plomb, incorporant des éléments plus coûteux et confrontée à des coûts de matériaux et à une complexité de production plus élevés. La dynamique du marché, la conformité réglementaire et les considérations environnementales et sanitaires à long terme contribuent à la différence de coût. Les coûts des matières premières jouent un rôle central dans l’élaboration des politiques commerciales, influençant directement la rentabilité des PCB et des produits.
Même si la soudure au plomb peut être financièrement moins chère, la soudure sans plomb est conforme aux réglementations environnementales et sanitaires, ce qui favorise son adoption accrue. Le choix dépend des besoins spécifiques de l'application, en pesant la rentabilité, la durabilité et la conformité réglementaire. Du point de vue de la fabrication, la soudure au plomb est considérée comme plus rentable en raison de ses coûts de matériaux inférieurs, en particulier par rapport aux composants plus chers de la soudure sans plomb, ce qui en fait un choix raisonnable en termes de qualité.
Plomb ou sans plomb : lequel choisir ?
Pour les fabricants opérant dans des pays appliquant des restrictions sur l'électronique au plomb, l'utilisation de soudures sans plomb devient obligatoire. En revanche, les amateurs peuvent opter pour des soudures à base de plomb dans des applications à petite échelle en raison de leur facilité d'utilisation et de leur rentabilité.
Cependant, pour un usage commercial, les soudures sans plomb sont considérées comme un choix judicieux, conforme aux réglementations environnementales et aux considérations de santé. Malgré les avantages des soudures à base de plomb, leur nature toxique pose des difficultés pour justifier leur utilisation. La décision de choisir un type de soudure particulier doit prendre en compte des facteurs tels que la santé, la sécurité environnementale, les coûts, les exigences de conception et d'autres considérations pertinentes. L’équilibre de ces facteurs garantit un choix responsable et éclairé dans la sélection de la soudure appropriée pour une application donnée.
Effets sur différents types de soudure
Le choix entre une pâte à souder avec ou sans plomb peut avoir un impact sur la qualité du produit final, mais un contrôle méticuleux des paramètres de soudure par les fabricants de PCB peut atténuer ces effets. La conception du circuit imprimé et la sélection appropriée des composants jouent un rôle crucial pour surmonter les problèmes de contrôle qualité.
La décision d'utiliser des produits sans plomb pour des processus tels que le brasage à la vague ou le brasage traversant est basée sur des paramètres de conception spécifiques et sur les exigences d'utilisation des produits des PCB assemblés. Les températures plus élevées associées au brasage sans plomb nécessitent une disposition minutieuse des cartes et une sélection des composants pour éviter la décomposition du métal ou l'endommagement des composants électroniques sensibles, en particulier lors des processus de refusion avec exposition prolongée à des températures élevées.
Fabricants de PCB devrait contribuer à la conformité des matériaux RoHS, en s'alignant sur les restrictions mondiales en matière de plomb.
Conclusion
En conclusion, la soudure est un processus crucial en électronique, proposant deux types : la soudure au plomb et la soudure sans plomb. Malgré les avantages de la soudure au plomb en termes de point de fusion, de mouillabilité, de coût et d'apparence, les préoccupations environnementales et sanitaires ont fait de la soudure sans plomb le choix imposé. La soudure sans plomb, bien que plus sûre, présente des défis tels qu'un point de fusion plus élevé et une mouillabilité plus faible, ce qui a un impact sur la fiabilité. Le bon choix de soudure dépend des spécificités du projet, ce qui souligne la nécessité de comprendre les propriétés et les différences entre les soudures au plomb et sans plomb pour une prise de décision optimale.
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