Soudage 101 : La simplicité du soudage - La complexité de la pâte à braser

Les gens,

Pour souder du cuivre au cuivre avec un alliage de soudure à base d’étain, tel qu’un alliage eutectique étain-plomb ou un alliage sans plomb courant comme le SAC305, il suffit de l’alliage de soudure à l’état liquide et du cuivre pour former la liaison intermétallique étain-cuivre. C’est cette simplicité, avec toutefois une petite nuance, que m’ont fait comprendre certains de mes collègues chez Speedline Technologies. Ils ont pris un circuit imprimé sur lequel étaient montés des composants à trous traversants et l’ont passé dans une machine à souder à la vague sans utiliser de flux. Le résultat était cocasse. Le circuit imprimé pesait environ 10 livres, car d’énormes stalactites de soudure y pendaient. Ce sont les oxydes qui se forment sur le cuivre qui ont causé ce désastre. En repassant le circuit sous un flux d’azote, on a obtenu un circuit imprimé parfaitement soudé par vague, prêt à être expédié. En réalité, pour réussir un soudage par vague, il faut donc soit un flux, soit de l’azote, de préférence les deux, en plus de la soudure et du cuivre ; cela reste toutefois relativement simple.

Il faut avoir de la compassion pour les chercheurs en soudure de la fin des années 1970 et du début des années 1980. La technologie SMT était alors en plein essor et le marché était avide de pâte à souder; or, pour bon nombre de ces chercheurs, la seule expérience dont ils disposaient concernait le soudage à la vague. Dans ce procédé, le rôle principal du flux est d’éliminer les oxydes des pastilles du circuit imprimé et des composants. La soudure est à l’état fondu et son oxydation ne constitue pas une préoccupation majeure.Au cours du processus de soudage, la soudure n’entre en contact avec le circuit que pendant quelques secondes et celui-ci n’est soumis à des températures élevées que pendant ce bref laps de temps.

J'imagine que certaines des premières pâtes à souder étaient composées de poudre de soudure et de flux similaires à ceux utilisés dans le soudage à la vague. Si tel est le cas, elles ne fonctionnaient probablement pas très bien. Considérons les différences considérables entre la pâte à souder et la soudure utilisée dans le soudage à la vague. Le « flux » contenu dans la pâte à souder doit éliminer les oxydes présents sur les pastilles du circuit imprimé, les broches des composants et les particules de soudure, mais il doit également protéger toutes ces surfaces contre une nouvelle oxydation pendant plusieurs minutes, le temps du passage dans le four de refusion. Pour assurer cette protection, le « flux » doit contenir des matériaux agissant comme une barrière à l’oxygène. Les matériaux les plus couramment utilisés dans les pâtes à souder sans nettoyage sont les colophanes et les résines. Les colophanes, ou résines (qui sont des colophanes modifiées ou synthétiques), sont généralement des composés organiques de poids moléculaire moyen à élevé, composés à 80-90 % d’acide abiétique. On les trouve généralement dans les conifères. Les colophanes et les résines sont de nature collante et offrent une certaine activité de flux ainsi qu’une résistance à l’oxydation pendant le processus de refusion.

Si j'ai utilisé le terme « flux » dans le paragraphe ci-dessus, c'est parce que ce que la plupart des gens appellent le flux dans la pâte à souder est en réalité un mélange complexe de matériaux. Ces « flux » se composent :

• Colophanes/résines : pour assurer une barrière à l'oxygène et apporter une certaine action de flux
• Additifs rhéologiques : pour garantir les meilleures propriétés d'impression, par exemple une bonne réactivité après une pause, un bon rendement de transfert, une excellente résistance à l'affaissement, une bonne adhérence, etc.
• Solvants : pour dissoudre les autres substances
• Activateurs : destinés à assurer l'action principale de décapage (élimination des oxydes)

  
  Illustration. Les pâtes à souder comptent parmi les matériaux les plus sophistiqués sur le plan technique.

  Les pâtes à souder modernes doivent présenter une bonne capacité de barrière à l'oxygène. Dans la plupart des profils de refusion, la pâte à souder est exposée à des températures supérieures à 150 °C pendant plusieurs minutes. Pendant ce laps de temps, une barrière à l'oxygène est nécessaire pour protéger à la fois les particules de soudure et les surfaces des pastilles et des broches.

  Un exemple courant de barrière anti-soudure insuffisante est le défaut dit « graping » ou son équivalent, le défaut « head-in-pillow ». Si vous rencontrez l'un de ces défauts, une pâte à souder offrant de meilleures propriétés de barrière contre l'oxygène vous sera certainement d'une grande aide.

  Avant la refusion, la pâte à souder doit s'imprimer correctement, présenter une bonne réactivité à l'arrêt, ne pas présenter de fluidité de cisaillement, résister à l'affaissement à froid et offrir une bonne « adhérence » pour maintenir les composants en place après leur placement. Pendant la refusion, outre le problème lié à la barrière à l'oxygène, la pâte à souder ne doit pas présenter d'affaissement à chaud et doit «Éviter le vide^TM», ne pas provoquer le défaut dit « tête dans l'oreiller » (HIP), être compatible avec toutes les finitions courantes des pastilles PWP et permettre d'obtenir des soudures fiables dans des environnements soumis à des cycles thermiques, à des chocs de chute et à des vibrations. Ouf ! Quel défi complexe.

  En conséquence, je dirais que la pâte à souder est sans doute le matériau le plus sophistiqué au monde sur le plan technique… et ce n’est certainement PAS un produit de base.

  Santé,
  Dr. Ron