Arrêt du plomb
dans les équipements électroniques
Les alliages sans plomb ont
ils du plomb dans l'aile ?
1. Histoire de l'utilisation du plomb dans les alliages
pour brasage tendre
3. alliages à l'étude, propriétés,
conséquences sur les autres composants, alliages émergeants ...
4. Conclusions, actions prospectives
du GFIE
Les alliages sans plomb ont ils du plomb dans l'aile ?
Le dernier mot n'a pas encore été dit....
1. Histoire de l'utilisation du plomb dans les alliages pour brasage tendre
Le plomb est omniprésent dans les alliages pour brasage à cause :
§ de la bonne tenue mécanique des dits alliages,
§ du faible coût du plomb et de sa disponibilité
§ de la facilité d'utilisation.
Depuis le protocole de Montréal sur la substitution des CFC, il se dégage une volonté de protéger les individus et l'environnement dans le monde industriel. La toxicité chronique du plomb et ses effets à long terme en font la cible de beaucoup de critiques. Bien que source de contamination sous différentes formes (vapeur, particules, ... etc), il est fortement utilisé dans les alliages de métaux pour de nombreuses applications (électronique, bâtiment, automobile,..)
Bien que l'électronique ne représente qu'un faible pourcentage de l'utilisation totale du plomb (0,5 %, soit 60.000 tonnes, contre 80 % pour les batteries, 5 % pour les peintures et 5 % pour les munitions), la menace d'interdiction à terme doit être considérée comme sérieuse et potentielle. Depuis Juin 97, l'interdiction d'utiliser du plomb dans les alliages destinés au brasage des canalisations d'eau courante s'est généralisée en France. Au jour d'hui, de nombreux grands groupes industriels ont manifesté leur volonté de réduire de façon conséquente leur utilisation du plomb dans les alliages de brasage.
Le développement des techniques de recyclage et de récupération des équipements électroniques en fin de vie pourrait peut être retarder ou éviter ce genre de décision, à condition que les coûts de recyclage puissent être maîtrisés. Il faudrait également régler le problème des poussières de plomb à la surface des bains dans les machines de brasage à la vague. En attendant, il parait raisonnable de se préparer à l'interdiction totale et s'est pourquoi la plupart des fabricants d'alliage ont entamé le développement de nouveaux substituts.
Il n'existe pas de lois ou de projet Européen sur le plomb lui-même en électronique. Seuls s'appliquent les textes relatifs à l'environnement et à l'Hygiène et sécurité (médecine du travail versus le classement du plomb) ainsi que ceux sur les déchets de métaux lourds, avec un contrôle des émissions dans l'air et des rejets dans l'eau.
A Bruxelles, la DG11 travaille sur une directive concernant le recyclage des produits électronique en fin de vie !
D'après l'ITRI (institut de recherche de l'étain) qui a effectué de nombreux travaux sur le sujet, plus de 300 brevets seraient déjà déposés ! Il est donc impossible de les reprendre tous dans un article synthétique. Par ailleurs, l'existence d'un brevet n'implique nullement une faisabilité technique ou économique confirmée.
Citons alors pour mémoire :
§ Brevets d'utilisateurs / d'OEM : ATT, FORD, GM, HONDA, IBM, MOTOROLA, etc
Les alliages les plus cités sont :
§
Binaires :Sn / Ag - Sn / Sb - Sn/Bi
§
Ternaires :Sn / Ag / Cu - Sn / In / Ag - Sn / Zn / Bi - Sn
/ Bi / Cu
§
Quaternaires :Sn / Ag / Cu / Sb - Sn / Bi / Zn / In - Sn / Ag
/ In / Sb
Avec comme caractéristiques induites par ces composants ;
§ Sn-Ag ductile et propice à la fabrication de Fil de brasage
§ Sn-Bi donne la possibilité d'un bas point de fusion
§ SnZn faible coût, bas point de fusion
§ Sn-In bas point de fusion
3. alliages à l'étude, propriétés, conséquences sur les autres composants, alliages émergeants ...
Plusieurs critères fondamentaux doivent être pris en compte :
§ La disponibilité des métaux de base en quantité,
§ Des températures de fusion assez proche des conditions actuelles et un comportement proche de l 'eutectique (pas ou peu de zone pâteuse! )
§ Une bonne mouillabilité,
§ Une bonne tenue à la corrosion,
§ Une bonne résistance à la fatigue,
§ Un coût de fabrication "raisonnable".
Il est d'autre part utile et nécessaire de maîtriser également :
§ La vitesse de dissolution d'autres métaux constituant un PCB (or, Ag, Palladium, cuivre, etc ...), et leur influence sur les propriétés de l'alliage.
§ L'évolution de la zone du joint intermétallique,
§ l'influence de ce dernier sur la résistance des joints brasés,
§ Les cycles thermiques,
§ Le volume de scories formé.
Pour l'une ou plusieurs des raisons ci dessus, les alliages à haute teneur en Bi, Ag ou In semblent devoir être écartés. Les alliages binaires ne semblent pas satisfaire l'ensemble des critères techniques. Sont néanmoins à l'étude en ce moment les alliages
§ SnAg : 96,5/3,5 (eutectique :221°C)
§ SnCu : 99,3 / 0,7 (eutectique 227°C), déjà utilisés marginalement.
Les alliages à forte teneur en étain (>95%) Sn/Bi/Zn - Sn/Ag/Cu - Sn/Zn/Ag - Sn/Ag/Cu/Sb et Sn/Cu/Bi présentent des caractéristiques intéressantes malgré des points de fusion encore un peu élevés et des problèmes d'oxydation.
Il est important de rappeler que le ou les alliages retenus devront être testés pour les finitions circuits imprimés et pattes de composants. Ceci pourra également révéler d'autres contraintes (tenue à des températures plus élevées notamment, au delà de 240°).
L'adaptation des fours de refusion ou des vagues devrait être plus simple si le liquidus reste dans une tranche de 180° à 210°. A noter cependant que l'une des premières crèmes à braser aujourd'hui disponible pour tests est composée d'un alliage ternaire de type Sn/Ag/Cu avec un point de fusion de 218°, ce qui implique un T° Max aux alentours de 240°.
4. Conclusions, actions prospectives du GFIE
L'assemblage électronique fait intervenir trois métiers différents :
§ Le PCB (fabrication, stockage, mise en oeuvre)
§ L'assemblage (machines, process),
§ Les composants (fabrication, stockage, mise en oeuvre).
Il semble difficile de finaliser le développement de nouveaux alliages sans plomb sans que les acteurs de ces 3 métiers se rencontrent. Pour l'instant, chacun travaille dans son coin ! Des pôles d'étude sont constitués par de multiple tandem Client / Fournisseur développant chacun leur solution propre. On en est même venu à demander aux autorités, dans certains pays, de mettre en place une norme définissant les caractéristiques des alliages sans plomb.
La solution idéale n'est donc sans doute pas pour demain. Mais après-demain arrive à grands pas. En France, le GFIE suivra pour vous l'évolution de ces alliages de substitution et publiera toute information qui lui parviendra au travers de sa commission "Consommables", y compris les solutions alternatives comme les colles conductrices, par exemple !
Info. GFIE 2005