POUR UNE FABRICATION ÉLECTRONIQUE
respectueuse De l'environnement
1 Quel
est le type d’alliage recommandé pour la brasure sans plomb ?
2 La
soudure sans
plomb est-elle compatible avec la soudure avec plomb ?
3 Le
prix de la soudure est-il plus cher ?.
4 La
fabrication sans plomb est-elle plus dangereuse ou toxique pour le
personnel de production ?
5 Y-a
t'il un impact sur la conception de la carte ?
6 Y-a
t'il un impact sur la sérigraphie ?
7 Y-a
t'il un impact sur la pose CMS ?
8 Quelles
sont les caractéristiques d’un four sans plomb ?
9 Faut-il
modifier le paramétrage du contrôle vision ?
10 Y-a
t'il un impact sur le stockage des composants et des semi-finis ?
11 Peut-on
utiliser les machines actuelles ?
12 Faut-il
changer la zone de préchauffe ?
13 Quelles
précautions prendre lors de l’achat d’une vague sans plomb ?
14 Y-a
t'il des problèmes de contact lors des tests in situ ou fonctionnels
?
15 Comment
maintenir l’intégrité de l’alliage au cours de la production ?
16 Qu’apporte
l’azote dans un process sans plomb ?
LA SOUDURE MANUELLE & LA RÉPARATION
17 Y-a
t'il des conséquences sur l'outillage et le savoir-faire ?
18 Faut-il
changer la matière du circuit imprimé ?
19 Comment
protéger les plages à utiliser ?
La tenue de l'assemblage dans le temps
20 La
soudure sans
plomb est-elle aussi fiable que la soudure avec plomb ?
Ce
document a été réalisé sur la base d’une étude des adhérents du SNESE
membres du groupe de travail Lead Free :
Mme
FAURE SOLECTRON, Mme RICHARDEAU ENVIRONNEMENT J'ÉCOUTE,
M. ATTALI OSE, M. BIGOT SONY ,M. BRUNET PIGE
ÉLECTRONIQUE, M. DUBUIS AEL, M. EVELLIN THEALEC, M. LAGROUE MICROPAC,
M. LELEU SOREC FAPRONIC, M. MARTOS ACTIA BU SERVICES, M. PENET TEAMS
AVIONICS, M. PERNIN GICEP, M. ROGERO ALECTRON, M. ROLLET AVANTEC,
M. WALTER SOREC FAPRONIC, COORDINATION, Richard CRÉTIER chargé de
la communication du SNESE
© SNESE/COPILOTE
– QUIMPER – France – Janvier 2005
Ce
document est un recueil de réponses pratiques aux questions soulevées
par les directives 2002/95/CE (RoSH) et
2002/96/CE (WEEE), les plus fréquemment posées lors des audits réalisés
dans le cadre de l'opération menée par JESSICA Paris-Nord-Est,
en partenariat avec la DRIRE Alsace, Sony, IFTEC et le SNESE.
Ces directives ont pour but de limiter l'utilisation de certaines
substances dangereuses — dont le plomb —, dans les équipements électriques
et électroniques. L'objectif de la diffusion de ce document est double.
D'abord, apporter des réponses simples à des questions d'ordre pratique.
Ensuite, permettre aux adhérents d'anticiper la mise en oeuvre de
ces directives, avant même la publication de leur transposition en
droit français. Ce document est bien sûr appelé à évoluer. C'est la
mission qui a été confiée au groupe de travail Lead Free du SNESE, qui est avant tout une cellule de veille.
Je tiens à remercier les participants à ce groupe – sous-traitants
et membres du Club des Partenaires – pour leur disponibilité et leur
abnégation sur un sujet qui va devenir, dans les mois qui viennent,
un élément de différenciation concurrentielle pour nos entreprises.
Jean-François
ÉVELLIN
Président
du SNESE
1 Quel est le type d’alliage recommandé pour la brasure sans plomb ?
Pour la soudure CMS, le SAC 305 est recommandé (étain,
3% d’argent et 0.5% de cuivre). Les associations des industries japonaises
(JEITA) et Européennes (IDEALS) l’ont également recommandé.
D’autres alliages sont disponibles. Certains fabricants
travaillent sur de la soudure au zinc pour réduire la température
de fusion mais uniquement pour des applications spécifiques.
Pour les alliages destinés à la vague le SAC 305 est
recommandé. L’alliage SN 100C (Sn 99.3%,
Cu 0.7%, traces de Ni) permettrait de réduire les coûts de
consommable du fait de l'absence d’argent mais il y a peu de retour
d’expérience sur cet alliage.
Lors du choix de l'alliage, il conviendra de vérifier
auprès du fournisseur les conditions d'utilisation (brevets, licences,
droits d'utilisation de l'alliage et de confection des cordons de
soudure).
2 La soudure sans plomb est-elle compatible avec la soudure avec plomb ?
Réparation des cartes :
Un produit avec plomb peut être réparé manuellement
avec de la soudure sans plomb et vice versa. Le procédé demande de
retirer l’ancien alliage (de façon grossière avec la tresse à dessouder)
et de souder avec le nouvel alliage (le cas échéant l’ancien).
La mixité est toutefois déconseillée pour les composants
BGA.
Refusion CMS (Composant/soudure) :
La mixité est possible.
Attention aux risques sur les BGA.
Les températures de liquidus étant différentes
entre les deux soudures, le mélange risque de ne pas être homogène
lors de la refusion et générer des défauts de conduction électrique et
de fiabilité du produit.
Assemblage mixte refusion
- Vague :
Sur des boîtiers QFP au plomb utilisés lors d'un process sans plomb par refusion,
le passage à la vague peut créer des décollements du joint de soudure.
Ce phénomène est dû au plus bas point de fusion de l'alliage avec
plomb.
L’augmentation de la température du bain génère de
fortes dilatations. On peut donc observer des joints de soudure cassés
(filet lifting, pad lifting et hot tearing)
notamment sur les composants discrets.
3 Le prix de la soudure est-il plus cher ?
Oui, il faut, aujourd’hui faire face à une augmentation
du prix de la soudure :
§
- fil à souder +50% à 60% d’augmentation,
§
- barre d’alliage +150% pour le SAC
305 et +40% pour le SN100C,
§
- de +20 à +50% pour les crèmes à
braser de type SAC.
Cette augmentation du prix est liée aux cours des
matières (Ag, Cu,
Sn) et à l’effet de volume de soudure acheté, encore faible
à ce jour. À noter tout de même que la densité de l’alliage étant
plus faible de 17% environ il y aura donc un gain significatif sur
le poids et par conséquent sur le coût.
4 La fabrication sans plomb est-elle plus dangereuse ou toxique pour le personnel de production ?
Du fait de la présence de composants plombés, c'est
la réglementation actuelle qui s'applique (décret 88.120 du 1/2/88
remplacé par le décret 2003.1254 du 23/12/2003 sur la réduction des
seuils de plombémie et code du travail traitant de la prévention des
risques chimiques, aération des locaux, douches, etc.). Vous reporter
à la fiche conseil SNESE n°17.
Par précaution, lorsque vous sélectionnez un alliage,
la fiche de données de sécurité (16 points) doit être mise à votre
disposition par le fournisseur. Celle-ci fera l'objet d'une analyse
et au besoin devra figurer sur la fiche d'évaluation des risques professionnels
(fiche conseil du SNESE n° 24) avant l’utilisation en production.
5 Y-a t'il un impact sur la conception de la carte ?
Une mauvaise conception de carte est plus sensible
avec la soudure sans plomb (bord de plage non recouvert, etc..).
Mais, à proprement dit, il n’y a pas de design spécifique
sans plomb. Une bonne conception de carte en procédé plombé sera bonne
avec un procédé sans plomb.
Deux points importants restent toutefois à surveiller
lors du design :
1) veiller à
la capacité de la carte dans son ensemble à encaisser des températures
de fusion plus élevées. (pistes, composants,
circuit imprimé, …)
2) attention
aux effets de différences de coefficients de dilatation entre le corps
du circuit imprimé et le cuivre qui peut générer des problèmes dans
le procédé vague (pattern lift, filet lift, …)
6 Y-a t'il un impact sur la sérigraphie ?
Non. Les caractéristiques physiques de la crème à
braser ne changent pas.
Toutefois, la mouillabilité étant plus faible, il
peut donc être nécessaire d’augmenter le coefficient des ouvertures
du masque de sérigraphie par rapport aux plages d’accueil.
7 Y-a t'il un impact sur la pose CMS ?
Le self alignement dans le four est plus faible avec
la soudure sans plomb. L’ajustement des machines reste donc primordial
pour une bonne qualité en sortie four. Mais il n’y a pas d’ajustement
spécifique lié au sans plomb (hauteur de pose, pression, sur le composant
ou autre).
8 Quelles sont les caractéristiques d’un four sans plomb ?
Pour être compatible, le four doit pouvoir chauffer
la carte de la façon la plus homogène possible (il faut réduire le
delta t sur la carte afin de ne pas trop surchauffer certaines zones).
Ce critère reste dépendant du type de carte utilisé (inertie thermique).
Plus le nombre de zones et la longueur de chauffe sont importants,
plus le profil de température sera facile à ajuster. Pour limiter
les gradients thermiques, il est donc conseillé d’utiliser des fours
à convection forcée comportant un nombre de sept zones minimum, et
non des fours IR.
Le refroidissement doit être suffisamment rapide afin
de garantir une structure fine et solide de la soudure.
9 Faut-il modifier le paramétrage du contrôle vision ?
L’aspect physique de la soudure est moins brillant.
Il faut donc reprogrammer les équipements automatiques de vision sinon
il y a risque d’augmentation des faux défauts. Les manques de soudures
deviennent plus difficiles à détecter du fait du peu de contraste
entre les pattes du composant et la soudure.
Une soudure brillante n’est donc plus le critère primordial
pour la qualité du joint. Les normes IPC A-610 sont en cours de modification.
10 Y-a t'il un impact sur le stockage des composants et des semi-finis ?
Suite à l’augmentation de la température de fusion,
l’humidité accumulée dans les composants peut générer un plus grand
nombre de défauts de type pop corn ou délaminage.
Il est donc primordial de bien respecter les recommandations
des fournisseurs sur les MSL – moisture
sensitivity level.
11 Peut-on utiliser les machines actuelles ?
Non. Il y a un fort risque de dissolution de la matière
en contact avec la soudure en mouvement (pot, pales des pompes, buses).
Ce phénomène est d’autant plus dangereux qu’il est peu visible, sauf
à vidanger le pot de soudure. La fuite d'un pot est trop souvent le
seul signe visible.
Les équipements fabriqués après 2001 sont en générale
compatibles. Pour certains équipements antérieurs, le retrofittage est possible, mais le coût est non négligeable
(25 K Euros à 50 K Euros suivant les matériaux utilisés).
12 Faut-il changer la zone de préchauffe ?
Non, si le type de flux (colophane, base eau, …) reste
le même. Pour limiter le choc thermique sur la vague, il faut augmenter
le pré-chauffage. Veiller également à disposer
d’unités suffisamment puissantes.
13 Quelles précautions prendre lors de l’achat d’une vague sans plomb ?
Avoir une garantie sur le pot (et les pièces en contact
avec la soudure) la plus longue possible (cinq ans étant un minimum).
Pour la visserie, il est recommandé d’utiliser une matière plus légère
que l’alliage sans plomb. Ceci évite que la visserie ne disparaisse
au fond du bain lors d’une erreur de manipulation (ex : utiliser de
la visserie en titane). A la sortie de la vague, la carte étant plus
chaude, il faut prévoir un système de refroidissement plus efficace.
14 Y-a t'il des problèmes de contact lors des tests in situ ou fonctionnels ?
Non, la soudure n’a pas d’impact direct sur ce paramètre.
Toutefois, il y a peu de recul, à ce jour, sur ce phénomène. Cette
problématique provient plus du choix du flux et de ses caractéristiques
que de la soudure sans plomb.
15 Comment maintenir l’intégrité de l’alliage au cours de la production ?
Il faut procéder à une analyse métallurgique régulière
du bain, notamment la première année. Il y a 2 dérives possibles :
1 - Le taux de
cuivre augmente par dissolution du Cu du
circuit imprimé en contact avec le bain de soudure. Si le taux est
trop élevé, il faut utiliser temporairement de l’alliage sans cuivre
pour compenser.
2 - Le taux de
plomb augmente par dissolution des terminaisons des composants avec
plomb montés sur la carte. (La norme autorise un taux inférieur à
1000ppm). Il n’y a pas de solution pour éliminer le plomb. Avec le
temps et l’augmentation de l‘utilisation de composants sans plomb,
ce taux va finir par revenir à la normale. La solution extrême serait
de vidanger une partie de l’alliage.
Une fréquence d’analyse de l’alliage plus élevée la
première année de production permet de mesurer le phénomène. Le coût
d’une analyse chimique se situe entre 150 et 250 euros.
16 Qu’apporte l’azote dans un process sans plomb ?
L'élévation de la température de chauffe favorise
le développement du phénomène d'oxydation.
L’apport d'azote réduit ce phénomène. Mettre le process vague sous azote n’est pas indispensable mais cela
procure les avantages suivants :
1) réduction
du volume des scories (déchets de soudure oxydée), le prix de la soudure
étant plus cher ; le retour sur investissement plus rapide,
2) optimisation
des réglages machine facilités (élargissement de la fenêtre de processus).
La mise en place d’un simple flux d’azote sur la surface
de la vague peut être un bon compromis qualité/prix (hors coût de
la fourniture ou de la production d'azote).
LA SOUDURE MANUELLE & LA RÉPARATION
17 Y-a t'il des conséquences sur l'outillage et le savoir-faire ?
Les pannes de fers à souder s’oxydent et s’usent plus
vite (la durée de vie est réduite de moitié).
La soudure des composants à pas fins ne peut plus
se faire de façon continue (soudure tirée). La plus faible mouillabilité
oblige à souder patte par patte.
18 Faut-il changer la matière du circuit imprimé ?
La température appliquée au circuit imprimé augmente.
Il peut donc y avoir une déformation de la carte lors du passage au
four. Il convient donc de choisir une matière compatible avec la température
maximum définie.
19 Comment protéger les plages à utiliser ?
Il existe trois types de protection :
1) le Nickel
Or,
2) le pré-étamage sans plomb (HAL, Chemical
Immersion Tin or Silver),
3) la passivation
organique (OSP).
Ces trois types de protection sont compatibles avec
le procédé sans plomb. Attention toutefois à la disponibilité sur
le marché de circuits imprimés pré-étamés
sans plomb.
La tenue de l'assemblage dans le temps
20 La soudure sans plomb est-elle aussi fiable que la soudure avec plomb ?
Il y a peu de recul pour le moment, mais les tests
de vieillissement en laboratoire ne montrent pas de problèmes particuliers.
Néanmoins, le taux d’étain plus important dans la
soudure favorise le développement de whiskers
(sous l’effet d’un stress mécanique il y a développement d’une excroissance
d’étain sous forme de fil très fin qui peut générer un court-circuit
entre 2 pattes de composants à pas fins —1.25mm et inférieurs). Pour
le moment, l’utilisation de composants avec une terminaison avec plomb
permet de limiter le phénomène, surtout sur les connecteurs, éléments
stressés mécaniquement par définition. Certains fabricants interdisent
l’utilisation du pré-étamage sans plomb
sur ces composants.
Plusieurs fabricants japonais utilisent la soudure
sans plomb depuis 2001 (appareils photos numériques, consoles de jeux,
etc.). Ils n'ont pas constaté à ce jour de baisse de la qualité. Certains
fabricants européens supportent cet inconvénient en tolérant la présence
de whiskers dont la longueur n'excède pas 200 μm.
Il n'y a pas de retour d’expérience pour les produits
à haute valeur ajoutée et/ou la durée de vie est supérieure à dix
ans.
Info SNESE 2006