Types de Soudure pour Circuits Imprimés et Processus d'Assemblage

Lors de mes débuts en laboratoire, il m'est arrivé de devoir souder des fils sur des contacts métallisés. Nous travaillions alors avec des matériaux pour semi-conducteurs, qui peuvent aussi être utilisés pour souder des circuits imprimés à condition de choisir un mélange adapté au processus de fabrication des circuits imprimés.

Le processus de fabrication des circuits imprimés comporte plusieurs étapes, de la fabrication de la carte nue à l'assemblage et à l'emballage. Dans le cadre de l'assemblage des circuits imprimés, différents types de soudure sont utilisés pour assembler les composants sur la carte. Les caractéristiques mécaniques, qui varient selon la soudure, les problématiques de sécurité et la gestion de la mise au rebut doivent être prises en compte lors de la planification de l'assemblage. La transition vers l'électronique sans plomb incite à grandement réduire l'utilisation de soudure à base de plomb.

Je ne détaillerai pas les avantages et inconvénients des soudures avec et sans plomb puisqu'Internet regorge d'informations à ce sujet. Nous allons plutôt nous intéresser aux différents types de soudure pour circuits imprimés, et plus particulièrement aux différents matériaux et processus.

Matériaux de Soudure pour Circuits Imprimés

La variété de soudures disponibles sur le marché est telle que tout concepteur ou assembleur novice peut avoir du mal à sélectionner la plus adaptée. Les soudures établissent des connexions électriques entre les contacts métalliques lorsque la soudure fondue (qui est un alliage souple) forme un eutectique qui se solidifie en refroidissant. Le mélange de métaux qui composent un circuit imprimé soudé déterminera sa résistance mécanique après solidification, la température de fusion requise ainsi que les diverses émanations émises pendant la soudure. Les types de matériaux de soudure pour circuits imprimés se différencient par le matériau du noyau, les constituants métalliques et les types de flux de soudure.

Teneur en Métal

Les mélanges de soudure au plomb forment la catégorie des soudures tendres, celles qui ont permis le développement du secteur de l'électronique. Leur point de fusion est compris entre 180 et 190°C et elles se conservent environ 2 ans. Les alliages de soudure à base de plomb courants sont les suivants :

• 60/40 Sn/Pb
• 63/37 Sn/Pb
• 62/36/2 Sn/PB/AG

Les ratios Sn/Pb 50/50, 30/70 et 10/90 existent également. L'étain est utilisé comme métal de base car il permet d'abaisser le point de fusion de l'alliage tandis que le plomb empêche le développement de barbe d'étain. Une concentration d'étain supérieure garantit une meilleure résistance au cisaillement et à l'étirement. Le composant avec argent en 62/36/2 Sn/Pb/Ag offre une résistance au contact et à la corrosion plus faible. Il existe d'autres types de soudure (indium, alliage de zinc, etc.), mais ces dernières ne sont pas utilisées pour les circuits imprimés en raison de leur incompatibilité avec le processus de fabrication des circuits imprimé.

Les soudures sans plomb sont de plus en plus utilisées depuis que l'Union européenne a adopté la Directive sur la restriction des substances dangereuses (RoHS), qui limite l'utilisation de plomb dans l'électronique. Les soudures sans plomb ont néanmoins tendance à former plus facilement des barbes d'étain. Des revêtements conformes sont souvent utilisés pour empêcher la formation de ces barbes ainsi que pour assurer une protection contre l'humidité et la corrosion.

La soudure avec fil fourré est vendue sous la forme d'une bobine et contient un agent réducteur dans son noyau. Cet agent réducteur (dont je parlerai ci-dessous) élimine le film d'oxyde susceptible de se former sur les contacts métalliques afin de garantir une conductivité élevée au niveau du contact électrique. Le type de matériau contenu dans le noyau est un autre point à prendre en compte si vous soudez à la main.

Matériau du Noyau de Soudure

Les bobines de soudure ou les pâtes à braser contiendront l'un des matériaux suivants pour appliquer du flux sur les contacts métalliques pendant la soudure :

• Flux à l'acide organique : un flux à base d'acide élimine efficacement les oxydes sur les contacts métalliques lors de leur soudure. Ce flux est soluble dans l'eau et un nettoyage des résidus est nécessaire après soudure pour prévenir la corrosion.
• Flux à la colophane : la colophane est une forme solide de résine dérivée des conifères. Les résidus de flux à la colophane ne génèrent pas de corrosion. Ce flux est à privilégier dès que les résidus de flux à l'acide organique seraient trop difficiles à éliminer.
• Soudures à âme pleine : certains fils de soudure ont un noyau plein et ne contiennent aucun flux. Le flux doit alors être appliqué séparément à la main. Ce type de soudure est utile pour souder à la main à condition que le flux soit disponible.

Processus de Soudure des Circuits Imprimés

Actuellement, la soudure la plus utilisée dans les circuits imprimés est la soudure à noyau de colophane sans plomb (Sn-Cu). Sauf si votre assembleur travaille sur un exemplaire de carte unique ou si vous assemblez votre propre carte, les composants ne seront pas soudés sur le circuit imprimé à la main. Le processus sera plutôt automatique :

• Soudure à la vague : utilisée pour les composants traversants
• Soudure par refusion : utilisée pour les composants CMS dans un four de refusion
• Brasage sélectif : utilisé lorsqu'un composant traversant risque d'être endommagé par une chaleur élevée ou est incompatible avec les processus de soudure à la vague ou par refusion

Le flux ou la pâte sont d'abord appliqués sur les contacts métalliques de la carte pour réduire l'oxydation et uniformiser le flux de soudure fondue, ce qui renforce le raccord soudé fini sur un circuit imprimé. La plupart des concepteurs supposent sans doute qu'il est essentiel d'utiliser des fils et une pâte à braser sans plomb pour assembler les composants, alors qu'il ne s'agit en fait pas d'une exigence stricte. Selon un panel d'experts en soudure, ces matériaux peuvent être mélangés, mais dans ce cas, les propriétés mécaniques de l'alliage final seront comprises entre celles d'un alliage à base de plomb et celles d'un alliage sans plomb.

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