Les gens,
Pitié Ötzi, l'homme des glacesL'homme des glaces a été découvert vers 3500 avant J.-C. On pense qu'il participait à la fonte du cuivre, car des particules de cuivre et de l'arsenic, un oligo-élément présent dans certains minerais de cuivre, ont été trouvés dans ses cheveux. Non seulement l'arsenic l'empoisonnait lentement, mais pour fondre le cuivre, il devait atteindre une température d'environ 1 085 ºC (1985 ºF) au feu de bois, comme indiqué dans mon dernier article. L'arsenic contenu dans le cuivre avait un avantage : il donnait au cuivre un peu plus de force que s'il était pur.
Peu après l'époque d'Otzi, les métallurgistes ont découvert qu'en ajoutant 10 % d'étain au cuivre, on obtenait du bronze. Le bronze est non seulement nettement plus dur que le cuivre, mais il fond à une température inférieure de près de 100 °C à celle du cuivre pur, ce qui facilite grandement le travail du métal. L'âge du bronze âge du bronze a commencé. Cette période coïncide avec ce que les spécialistes considèrent comme le début des civilisations modernes, comme celles de l'Égypte et de la Grèce.
Comme il fond à une température plus basse, le bronze remplit également mieux les moules. Cette amélioration du remplissage des moules est illustrée par la figure 1. Cette photo montre une hachette en cuivre et en bronze que j'ai fabriquée. La hachette en cuivre à gauche montre des signes de mauvais remplissage du moule.
Figure 1. Hachettes en cuivre (à gauche) et en bronze fabriquées pour le projet du Dr. Dartmouth College de Ron ENGS 3: Matériaux : La substance de la civilisation. Notez que la hachette en cuivre présente un mauvais remplissage du moule en raison de la température de fusion plus élevée du cuivre.
À mon avis, il est presque certain que l'âge du bronze est lié au développement de la soudure. Les premières preuves de brasage se situent aux alentours de 3000 ans avant J.-C., où la première civilisation, les Sumériens ont assemblé leurs épées à l'aide de soudures à haute température. Comme l'étain est le métal de base de la plupart des soudures cuivre-cuivre, les premiers métallurgistes ont certainement appris que l'étain pouvait être utilisé pour assembler des pièces de cuivre ou de bronze à des températures bien inférieures à celles de la fusion.
Jusqu'aux restrictions imposées par l'Union européenne sur le plomb dans les soudures en 2006, la plupart des soudures électroniques étaient des soudures étain-plomb eutectique. Eutectique est un mot grec qui se traduit approximativement par "facile à fondre". La figure 2 présente le diagramme de phase étain-plomb. Le point de fusion de l'étain est de 232 ºC et celui du plomb de 327 ºC. Pourtant, à la concentration eutectique de 63 % d'étain/37 % de plomb, la température de fusion tombe à 183 ºC. Cette concentration et cette température sont connues sous le nom de point eutectique.
Figure 2. Diagramme de phase étain-plomb diagramme de phase étain-plomb. Notez le point eutectique à 183ºC.
Depuis l'entrée en vigueur de la réglementation européenne sur le plomb, la plupart des soudures électroniques sont basées sur un alliage étain-argent-cuivre dont la température de fusion se situe entre 217 et 225 ºC. Les alliages les plus courants sont les suivants SAC305 (Sn96.5Ag3.0Cu0.5, où les nombres sont des pourcentages de poids).
Bien que le point eutectique soit un phénomène intéressant et généralement bénéfique en raison de son point de fusion plus bas, le véritable miracle du brasage réside dans le fait que deux morceaux de cuivre fondant à 1085ºC peuvent être liés ensemble avec une soudure à base d'étain à moins de 232ºC. On ne saurait trop insister sur la valeur de cet avantage. La nature nous a permis de relier mécaniquement et électriquement deux morceaux de cuivre à une température suffisamment basse pour que nous puissions le faire en présence de matériaux polymères isolants. Sans cette caractéristique de la soudure, l'industrie électronique n'existerait pas ! L'avantage supplémentaire est que le collage peut être retravaillé, de sorte que si un composant est défectueux, il peut être remplacé sans avoir à mettre au rebut l'ensemble du circuit imprimé.
Il est naturel de se demander comment cette liaison s'effectue. L'étain contenu dans la soudure forme des intermétallique avec le cuivre. En règle générale, le Cu6Sn5 se forme près de l'étain et Cu3Snprès du cuivre.. Voir la figure 3.
Figure 3.Intermétallique cuivre-étain de Roubaud et al, "Impact of IM Growth on the Mech. Strength of Pb-Free Assemblies", APEX 2001.
La prochaine fois que vous utiliserez votre smartphone, votre ordinateur portable, votre tablette ou tout autre appareil électronique, n'oubliez pas que sans le miracle de la soudure, il n'existerait pas.
Santé,
Dr. Ron
