Jusqu’à présent, l’étain est toujours considéré comme le meilleur matériau pour le soudage. Même la pâte à braser sans plomb est également principalement composée d’étain, et la seule différence réside dans l’absence de plomb.
La température de fusion de l’étain pur (Sn) est aussi élevée que 231,9 °C, ce qui est en réalité difficilement acceptable pour le brasage dans l’assemblage de circuits imprimés (PCB, Printed Circuit Board), car certains composants électroniques ne peuvent pas supporter une température aussi élevée. Par conséquent, il convient d’ajouter à la poudre d’étain un alliage de soudure qui constitue la majeure partie de la pâte à braser, comme l’argent (Ag), l’indium (In), le zinc (Zn), l’antimoine (Sb), le cuivre (Cu), le bismuth (Bi), etc. Avec ces métaux en traces ajoutés à la poudre d’étain, le point de fusion de la pâte à braser peut être abaissé, de sorte que l’assemblage des PCB puisse être réalisé en grande quantité avec une économie d’énergie.
L’autre objectif de l’ajout de métaux traces à la pâte à braser réside dans sa fonction d’amélioration des performances des billes de soudure, telles que leur ténacité ou leur résistance, afin d’obtenir des propriétés parfaites en termes de mécanique, d’électricité et de performance thermique après le brasage.
Il n’est donc pas difficile de comprendre pourquoi le Sn63Pd37 représente la majorité des pâtes à braser avec plomb. Une telle pâte à braser peut atteindre une température de fusion aussi basse que 183 °C, ce qui est bien inférieur à celle de l’étain pur. En ce qui concerne la pâte à braser sans plomb, si l’on ajoute une petite quantité de SAC305, la température de fusion peut être abaissée à 217 °C, tandis que si l’on ajoute une petite quantité de SCN, la température de fusion peut être abaissée à 227 °C. Que ce soit 217 °C ou 227 °C, ces températures sont inférieures à la température de fusion de l’étain pur, qui est de 231,9 °C.
Après avoir mélangé proportionnellement deux types de métaux à haute température de fusion, la température de fusion du composite diminue. N’est-ce pas surprenant ? En réalité, la raison en découle de certaines caractéristiques chimiques et ne sera pas abordée dans cet article.
Il existe certains types de métaux qui peuvent être ajoutés à la pâte à braser afin de permettre un soudage fluide. Les caractéristiques et les fonctions de ces métaux seront présentées dans l’article suivant.
• Argent (Ag)
D’une manière générale, l’ajout d’argent à la pâte à braser vise à améliorer la mouillabilité du brasage ainsi qu’à renforcer la résistance mécanique et la résistance à la fatigue du joint brasé. La pâte à braser est capable de passer les tests de cycles thermiques chaud-froid. Cependant, si l’on ajoute trop d’argent (généralement plus de 4 %), les billes de soudure deviennent au contraire fragiles.
• Indium (In)
L’indium est probablement un type de métal qui peut être mélangé avec l’étain pour former un alliage métallique ayant la température de fusion la plus basse. Le point de fusion le plus bas de l’alliage 52In48Sn peut être aussi faible que 120 °C, tandis que celui de l’alliage 77,2Sn/20In/2,8Ag peut être aussi faible que 114 °C. Dans certaines situations, une brasure à basse température de fusion sera un bon choix en raison de ses bonnes propriétés physiques et de sa mouillabilité. Néanmoins, l’indium est si rare dans le monde qu’il est très coûteux. Par conséquent, l’indium peut difficilement être utilisé à grande échelle.
• Zinc (Zn)
Comme le zinc est assez ordinaire, il peut être acheté à un prix bas, similaire à celui du plomb. Bien que le point de fusion de l’alliage étain-zinc soit plus bas que celui de l’argent pur, cela ne fait aucune différence. De plus, le zinc présente un inconvénient évident : il réagit facilement avec l’oxygène de l’air en formant un oxyde. Cet oxyde réduit la mouillabilité à la soudure, ce qui entraîne de nombreuses projections d’étain ou une baisse de la qualité de la soudure.
• Bismuth (Bi)
Le bismuth est également très performant pour aider à abaisser la température de fusion de l’alliage. L’alliage Sn42Bi58 présente une température de fusion aussi basse que 138 °C, tandis que celle du Sn64Bi35Ag1 n’est que de 178 °C. La température de fusion d’un alliage d’étain, de zinc et de bismuth peut être aussi basse que 96 °C. Le bismuth présente d’excellentes performances en termes de mouillabilité et de propriétés physiques. Après la généralisation du brasage sans plomb, la demande en bismuth a fortement augmenté et le bismuth est principalement utilisé pour les produits qui ne supportent pas le brasage à haute température. Le plus grand inconvénient de l’alliage étain-bismuth réside dans sa faible ténacité et l’insuffisante résistance des billes de soudure, raison pour laquelle on ajoute une petite quantité d’argent afin d’augmenter la résistance et la tenue à la fatigue.
• Nickel (Ni)
L’ajout de nickel à la brasure n’a pas pour but de diminuer la température de fusion. Après tout, comparé à l’alliage étain-nickel, l’étain pur présente une température de fusion plus basse. L’ajout d’une petite quantité de nickel sert uniquement à empêcher la dissolution du substrat en cuivre pendant le brasage. Le nickel est particulièrement utilisé dans le brasage à la vague pour empêcher les cartes OSP (Organic Solderability Preservative) de « ronger » le cuivre, c’est pourquoi des barres de brasure contenant l’alliage SnCuNi (SCN) sont utilisées dans le brasage à la vague.
• Cuivre (Cu)
L’ajout d’une petite quantité de cuivre à la pâte à braser permet d’augmenter la rigidité de la brasure, de sorte que la résistance des billes de soudure peut être accrue. De plus, une petite quantité de cuivre permet de réduire l’effet de corrosion causé par la brasure. La quantité de cuivre ajoutée à la brasure doit être inférieure à 1 %, car plus de 1 % de cuivre pourrait diminuer la qualité de la soudure.
L’étain reste la base d’un brasage efficace dans l’assemblage de circuits imprimés, mais l’ajout de métaux d’alliage comme l’argent, l’indium et le cuivre améliore les performances en abaissant les points de fusion et en renforçant la résistance mécanique. La possibilité de modifier les formules de pâte à braser permet une production rapide et reproductible des circuits imprimés, ce qui est essentiel pour répondre aux spécifications exigeantes de l’électronique actuelle. Comprendre le rôle des métaux d’alliage garantit que les procédés de brasage offrent des propriétés mécaniques, électriques et thermiques optimales.
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