Le soudage démystifié: comprendre les bases pour réussir le soudage

La soudure est une compétence étonnamment facile à acquérir à condition de savoir ce que vous faites. Ce dernier est essentiel car l'engin implique la manipulation de composants conçus pour résister à un maximum de 250 ° F avec un outil qui fonctionne à 650 ° F.

La marge d'erreur est ici assez mince et les erreurs sont souvent catastrophiques et coûteuses, ce qui décourage la plupart des débutants de persister malgré les échecs initiaux. Cependant, cela peut être complètement évité en obtenant les bases dès le départ.

Lisez la suite pour apprendre les bases de la soudure et vous épargner les horreurs de l'électronique carbonisée et des rêves brisés.

Pourquoi devriez-vous vous embêter à souder ?

Au niveau le plus élémentaire, la soudure crée des connexions électriques (et par conséquent mécaniques) fiables entre les composants métalliques conducteurs. Cela implique de coller une paire de fils ou un composant électronique sur une carte de circuit imprimé (PCB).

Les penseurs critiques parmi vous pourraient se demander pourquoi ne pas simplement tordre des fils ensemble ou fixer des composants sur des circuits imprimés à l'aide d'écrous et de boulons. Il y a deux problèmes principaux avec cette approche. Pour commencer, de telles connexions ne sont pas mécaniquement stables en cas de mouvement ou de vibration. Deuxièmement, bien que mécaniquement solides, les fixations ne sont pas du tout électriquement stables.

Nous avons demandé des contributions de Dr Lakshmi Narayan Ramasubramanian du Département de science et d'ingénierie des matériaux à l'Institut indien de technologie de Delhi, pour plus de clarté sur certains des aspects les plus techniques de la soudure.

L'électronique sensible a absolument besoin de connexions électriques à faible résistance afin de maintenir une conductivité constante tout au long de la durée de vie du produit. Ceci est difficile à réaliser en assemblant simplement des composants avec des attaches. L'entrefer inévitable entre les composants de ces joints conduit à l'oxydation (ou à la rouille pour les métaux ferreux), ce qui diminue considérablement la conductivité électrique. Ces obstacles rendent le soudage indispensable pour les applications électroniques de précision à basse tension.

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Lorsque vous soudez deux composants, la soudure elle-même se combine avec le métal (généralement du cuivre) pour former un alliage entièrement nouveau. La soudure lie essentiellement les composants au niveau moléculaire, ne laissant aucun intervalle d'air et éliminant ainsi la possibilité d'oxydation. La stabilité mécanique supplémentaire est un bonus bienvenu.

Coller des métaux en les faisant fondre ensemble est une proposition risquée compte tenu de la façon dont la plupart des composants semi-conducteurs sont conçus pour fonctionner à une température maximale de 250 ° F. Il n'est pas possible d'utiliser de la chaleur pour fusionner les fils d'une puce intégrée avec les pastilles d'un circuit imprimé, car le cuivre fond à une température époustouflante de 1984 ° F. Vous êtes obligé de faire frire le composant bien avant d'établir un joint fiable.

C'est là que la composition unique et les propriétés thermodynamiques de la soudure entrent en jeu.

La soudure est un alliage eutectique composé de plomb et d'étain. Le trépan eutectique est important car il permet à l'alliage de fondre à une température nettement inférieure à celle de ses métaux constitutifs. Alors que le plomb pur et l'étain fondent respectivement à 620 °F et 450 °F, un alliage de soudure composé de ces deux métaux mélangés dans un rapport 63:37 commence à couler à seulement 361 °F.

Alors que la soudure peut sembler impliquer la fusion de fils de cuivre ou de fils de composants sur un PCB, en réalité, le processus fonctionne en tirant parti de l'action de solvant métallique de la soudure. Lorsque de la soudure chaude est introduite dans les fils des composants en cuivre, elle agit comme un solvant pénétrant et dissolvant les surfaces de cuivre exposées. Cette action de solvant les fusionne au niveau moléculaire pour former un alliage complètement nouveau dans la couche intermétallique.

Ce phénomène s'appelle l'action de mouillage et il est absolument critique pour le processus de soudure, c'est-à-dire transformer des composants disparates en un corps continu et électriquement conducteur de alliage hybride.

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Vaincre l'oxydation avec le flux

L'action de solvant métallique de la soudure est la base même des joints soudés réussis. Cependant, en termes pratiques, la soudure ne peut pas initier une action de mouillage à elle seule. Ce processus est catalysé en fournissant de la chaleur à la fois à la soudure et aux conducteurs des composants en cuivre.

C'est un problème car la chaleur provoque également l'oxydation rapide des surfaces de cuivre exposées en présence d'air. La couche limite d'oxyde qui s'ensuit agit comme une barrière qui rend le mouillage impossible. Le problème s'aggrave avec la saleté, la crasse, les huiles pour les doigts, la graisse et d'autres contaminants présents sur les surfaces des composants. Ceux-ci inhibent davantage l'action du solvant métallique requise pour un joint soudé réussi.

Vous pouvez essayer de nettoyer les surfaces, mais vous rencontrerez une toute nouvelle couche d'oxyde au moment où vous réappliquerez de la chaleur sur les fils de cuivre. Si seulement il y avait un moyen d'enlever la couche d'oxyde pendant le soudage. Eh bien, c'est précisément ce que fait le flux.

Le flux est composé de colophane, qui est une forme solide de résine obtenue à partir de plantes. Aux fins de l'électronique, la colophane est soit utilisée seule, soit combinée avec des activateurs doux qui permettent au flux résultant de rester non corrosif et non conducteur à température ambiante. Le même devient suffisamment actif pour éliminer chimiquement les oxydes et autres contaminants lorsqu'il est fourni avec suffisamment de chaleur.

Lorsque vous enduisez des surfaces destinées à être soudées avec du flux, la chaleur appliquée pendant le processus de soudage catalyse le flux et élimine les impuretés. Cela expose le cuivre pur et rend l'action de mouillage possible. Le flux peut être appliqué aux composants avant le soudage, mais il est également introduit pendant le processus par le fil de soudure lui-même.

La plupart des fils de soudure modernes ont un noyau interne rempli de flux de colophane qui est automatiquement distribué lors du soudage.

Quand souder et quand ne pas souder

Maintenant que nous avons compris la science derrière la soudure, il est tout aussi important de savoir quand souder et quand c'est une mauvaise idée de le faire. Tout ce qui implique des PCB est presque exclusivement soudé. Le procédé offre une excellente conductivité électrique et un bon degré de fixation mécanique, tout en réduisant considérablement la taille globale de vos projets électroniques.

Cependant, il est parfois utile de savoir exactement quand vous ne devriez pas recourir à la soudure.

Bien que les fils puissent être soudés les uns aux autres ou sur des circuits imprimés, vous devez reconsidérer chaque fois que l'application souhaitée implique un degré de mouvement ou de vibration. Les applications automobiles, robotiques et d'impression 3D sont d'excellents exemples où la soudure est généralement limitée aux PCB et est catégoriquement évitée pour toutes les terminaisons de câble.

C'est parce que les joints soudés sont durs, mais cassants et donc vulnérables à la fatigue de flexion. Certainement pas un trait souhaitable pour les articulations électriques soumises à des vibrations et des mouvements constants. Les câbles soudés dans de telles applications subissent une fatigue de flexion et par conséquent échouent au niveau des joints fragiles.

C'est précisément pourquoi les terminaisons de câble soumises à de telles forces sont serties au lieu d'être soudées dans ces applications.

Bien que cela puisse sembler contre-intuitif, la soudure n'est pas le seul moyen d'obtenir des joints étanches aux gaz et résistants à l'oxydation. L'énorme pression générée lors du sertissage fait fondre les fils de cuivre au niveau moléculaire, ce qui les rend parfaitement étanches aux gaz.

En fait, les joints sertis sont à la fois mécaniquement et électriquement supérieurs à leurs homologues soudés, tout en étant également résistants à la fatigue de flexion. Le Dr Ramasubramanian cite l'absence d'intermétalliques dans les connexions serties comme la principale raison pour laquelle l'interface en cuivre pur présente une conductivité améliorée vis-à-vis des joints soudés.

Il explique également que la connexion cuivre-cuivre des joints sertis est intrinsèquement plus solide car des atomes similaires ont tendance à former des liaisons solides et stables. D'un autre côté, les atomes de cuivre, de plomb et d'étain différents trouvés dans les connexions soudées forment relativement liaisons plus faibles qui sont soumises à une contrainte constante, ce qui accélère à son tour la fissuration par fatigue sous stress.

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C'est aussi pourquoi vous ne trouverez pas une seule terminaison de câble soudée dans le compartiment moteur de votre véhicule. Idem pour les imprimantes 3D et tout autre appareil soumis à des vibrations et des mouvements constants.

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Connaître la mécanique sous-jacente de la soudure et quand il est approprié de l'appliquer à vos projets fera la différence entre le succès et une centaine de dollars en électronique endommagée.

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