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Substances dangereuses : comment les remplacer

Jean-Charles Guézel
- La directive européenne RoHS bannit plusieurs substances couramment utilisées dans l'industrie électronique. Les solutions de substitution se mettent péniblement en place.

Longtemps, les industries électriques et électroniques ont fabriqué salement des produits dangereux. C'est du moins ce que l'on se dit en prenant connaissance des directives européennes 2002/96/CE (WEEE : Waste Electrical and Electronic Equipment) et 2002/95/CE (RoHS : Reduction of Hazardous Substances). La première montre à quel point les contraintes de recyclage et de valorisation étaient jusqu'à présent peu prises en compte dans ces industries : le côté "sale" du problème (lire aussi IT n° 867). La seconde prend, quant à elle, à bras le corps les risques liés à la dangerosité des matières premières.

Applicable à tout le marché européen

La directive RoHS devrait, en principe, entrer en application le 1er juillet 2006. Elle proscrit l'utilisation de substances dont la nocivité n'a d'égal, paradoxalement, que leur banalité. Plomb, mercure, cadmium et chrome hexavalent (Cr VI) pour les métaux ; polybromobiphényles (PBB) et polybromodiphényléthers (PBDE) pour les substances organiques (des retardateurs de flamme) : telle est, en effet, la liste des substances incriminées, toutes utilisées aujourd'hui à relativement grande échelle.

Visant les fabricants de l'Union, mais aussi toutes les sociétés important des produits sur le marché européen, la RoHS peut être considérée comme le complément "amont" (ou préventif) de la WEEE. À l'occasion d'un séminaire Euroforum qui lui a été récemment consacré, Didier Gazagne, avocat au cabinet Alain Bensoussan, en a précisé les contours réglementaires et les subtilités. Comme la WEEE, la RoHS s'applique aux équipements conçus pour être utilisés sous une tension ne dépassant pas 1 000 V en courant alternatif et 1 500 V en courant continu. Elle englobe les produits finis, les sous-ensembles, les composants, ainsi que les ampoules et les luminaires domestiques. Elle exclut en revanche les gros équipements industriels et les lampes fluorescentes compactes, pour lesquelles il est admis jusqu'à 5 mg de mercure par dispositif. De même, le plomb reste autorisé dans les serveurs informatiques (jusqu'en 2010), les équipements d'infrastructures de réseaux, les composants dits "céramiques", la soudure des puces de puissance ou certains verres (scellements de composants, tubes cathodiques ou fluorescents...).

Le cadmium est, pour sa part, encore autorisé dans certains traitements de surface. Idem pour le chrome hexavalent en tant que traitement anticorrosion dans les systèmes de refroidissement en acier dans les réfrigérateurs à absorption... Pour toutes ces substances, une tolérance de composition est par ailleurs prévue. Elle est fixée à 0,1 % de la masse (0,01 % dans le cas du cadmium) des matériaux homogènes.

En pratique, c'est le plomb, matériau de brasage par excellence, qui focalise le plus l'attention des donneurs d'ordre et de leurs sous-traitants. Processus et équipements, formulation des alliages et des crèmes à braser, sélection des circuits imprimés et des composants... : c'est tout un savoir-faire patiemment acquis autour de l'alliage plomb-étain qui doit être remplacé avant le 1er juillet 2006. Avec toutes les adaptations techniques, les essais et les investissements que cela implique...

Le passage au sans plomb se révèle difficile

A priori, rien d'insurmontable dans cette tâche. Plusieurs fabricants japonais de produits grand public sont d'ailleurs déjà passés au sans plomb. Matsushita a ainsi sélectionné des alliages de type SnAgBi pour ses jeux vidéo, tandis que le SnCu a été retenu pour ses caméscopes, le SnZnBi pour ses PC portables ou le SnAgCu pour ses haut-parleurs. Une diversité qui souligne la difficulté majeure de cette conversion : l'absence de solution de substitution universelle. D'où la mise sur pied de nombreux programmes de recherche, consortiums, réseaux de travail... Elfnet (Europeen lead free network) par exemple, est un réseau dont le représentant en France est le laboratoire bordelais IXL-Enseirb. Autre acteur éminent, le grenoblois PC2A (Pôle de compétences en assemblage et analyse non destructive).

Gilles Poupon, du CEA-Leti - membre du PC2A -, passe en revue les qualités et les défauts des principaux additifs possibles au plomb : « Si l'argent améliore les propriétés mécaniques, il reste très coûteux ; de même pour le bismuth et pour l'indium qui, en contrepartie, diminuent les températures de fusion et améliorent le mouillage ; le cuivre diminue lui aussi la température de fusion mais demeure abordable ; idem pour le zinc, qui diminue toutefois les propriétés de mouillage et présente des problèmes de corrosion le cantonnant à des applications bien spécifiques. »

Ce qui est évident à analyser en revanche, c'est le coût de ces adaptations. « La plus forte proportion d'étain et la présence d'argent dans les alliages entraînent une augmentation de 50 à 60 % du prix du fil à souder, de 40 à 150 % de celui des barres d'alliages et de 20 à 40 % de celui des crèmes à braser », affirme le Snese (Syndicat national des entreprises de sous-traitance électronique). Des écarts qui pourraient toutefois diminuer lorsque l'effet de volume jouera à plein. Seul point positif : une densité diminuée de 17 %, et donc des produits plus légers...

Une adaptation inévitable du matériel

Y a-t-il un design spécifique à prévoir pour les cartes sans plomb ? « Pas vraiment, estime le Snese. Si la carte est mal conçue, il y aura certes plus de risques de défauts de fabrication. Mais si elle est bien conçue, il n'y a pas de souci. » Parmi les principaux points à surveiller, le syndicat mentionne la compatibilité des cartes et des composants avec des températures de fusion augmentées. Ces températures se traduisent aussi par un accroissement des défauts de type "pop corn" et des délaminages en cas d'excès d'humidité dans les composants.

Le changement d'aspect des soudures amène aussi son lot de désagréments. Leur brillance étant moindre, il faut impérativement reprogrammer les équipements de vision, qui risqueraient sinon de détecter un nombre plus important de faux positifs. Inversement, les manques de soudure sont plus difficiles à détecter, en raison de la diminution du contraste entre les pattes des composants et la soudure.

Jean-Bernard Fort, consultant, pointe pour sa part les problématiques particulières du brasage à la vague sans plomb : « Le choix d'un alliage s'avère plus délicat que celui d'une crème de refusion, du fait du coût de l'équipement et des difficultés de retour en arrière », explique-t-il. Tout en précisant que « le matériel existant peut convenir... à quelques adaptations près ». La consommation d'énergie bien sûr, en hausse de 15 % en moyenne, mais aussi une surveillance plus fréquente de la composition des bains. La combinaison d'une plus grande proportion d'étain et d'une température plus élevée a pour conséquence une détérioration plus rapide des pièces de l'équipement (buses, hélice, pot...) en contact avec l'alliage. Jean-Bernard Fort observe également une accentuation du nombre de brasures en boule, de ponts entre composants proches ou de pattes de composants excessivement chargées. Il note enfin que l'augmentation de 50 % de la quantité de scories rend le brasage sous azote non seulement plus utile qu'avec le plomb, mais également plus rentable.

La liste de problèmes potentiels est plutôt impressionnante. Mais, de l'avis général, l'un des plus gênants avec les soudures à forte proportion d'étain concerne la formation - à plus ou moins long terme - de "whiskers" : des excroissances métalliques pouvant générer des courts-circuits sur les composants à pas fin (moins de 1,25 mm). Un phénomène encore assez mal connu - il ne se manifestait pratiquement pas avec le plomb - mais dont on sait qu'il est, pour partie, lié à la présence d'intermétalliques cuivre-étain.

Plusieurs types de substitutions possibles

La solution ? Remplacer le cuivre et les alliages cuivreux des contacts (cartes et composants) par du ferro-nickel ou, mieux, déposer une couche barrière de nickel entre le substrat en cuivre et le dépôt d'étain. C'est cette option qui a été retenue par le fabricant de composants Agere, notamment. Considérant la piètre ductilité de joint de brasure qui en résulte, Hewlett Packard a, pour sa part, récemment émis une proposition visant à faire accepter dans la directive une quantité de 15 % de plomb, proportion qui suffirait à "anesthésier" le phénomène. Dans le même temps, Cypress penche pour le nickel-palladium-or, tandis que la société Ormecon préconise des finitions à base d'étain chimique (métal organique polyaniline)...

La directive RoHS n'est décidément pas simple à mettre en oeuvre. D'autant qu'il n'y a pas que le plomb. Jean-Pierre Bonino, ingénieur de recherche au Cirimat-CNRS, s'intéresse plus particulièrement aux traitements de surface, et, par conséquent, à la substitution du chrome dur et du cadmium. Des matériaux pourtant très difficilement remplaçables à caractéristiques équivalentes : anticorrosion et résistance à l'abrasion pour le chrome dur ; anticorrosion et aptitude au glissement pour le cadmium. « L'idée, explique-t-il, est de les remplacer par des matériaux composites, ou plutôt une palette de matériaux composites : NiP/SiC avec matrice cathodique ou ZnNi/SiC avec matrice anodique dans le cas du chrome dur ; NiP/talc avec matrice cathodique ou ZnNi/talc avec matrice anodique dans celui du cadmium. » Par rapport au PTFE et au disulfure de molybdène, autres lubrifiants possibles, le talc possède en effet l'avantage d'être stable jusqu'à 900 °C, biocompatible et même disponible dans la nature. Mais rien n'est joué... De même, pour égaler la résistance à l'abrasion et à l'usure du chrome, les SiC, diamant et alumine sont résolument sur les rangs.

RÉGLEMENTATION

À compter du 1er juillet 2006 La directive ROHS - Les EEE (Équipements électriques et électroniques) mis sur le marché ne devront contenir ni plomb, ni mercure, ni cadmium, ni chrome hexavalent (Cr VI), ni polybromobiphényles (PBB), ni polybromodiphényléthers (PBDE). Cela sous réserve de certaines tolérances et exemptions. Une exemption est notamment prévue pour le plomb (jusqu'en 2010) dans les serveurs informatiques et les systèmes de stockage.

CHEZ THALES ELECTRON DEVICES, DU NICKEL POUR LES TUBES ÉLECTRONIQUES

- «Ne pas chercher à être dans les exemptions » : telle est la politique de Thales Electron Devices vis-à-vis des directives environnementales et sanitaires. PCB, hexafluorure de souffre, cadmium... : la liste des produits dont l'utilisation est soumise à déclaration et qui sont présents sur son site de Vélizy (Yvelines), ou mis en oeuvre dans ses produits (tubes et dispositifs hyperfréquences), est pourtant longue. La démarche d'autant plus méritoire. Concernant le cadmium, utilisé pour ses caractéristiques anticorrosion et pour les connexions électriques, Thales disposait depuis des années d'une chaîne de traitement complète (bain de dépôt, passivation, rinçage). Une équipe-projet a été mise en place pour revoir tout le dispositif et mettre au point une solution de substitution à base de revêtements multicouches de nickel. Thales a d'ores et déjà décidé d'étendre cette méthodologie aux produits CMR (cancérigènes, mutagènes et reprotoxiques), avec, pour objectif, la substitution d'un produit au moins par an.

LES CONSEILS DU SNESE

Le Syndicat national des entreprises de sous-traitance électronique (Snese) vient d'éditer une brochure incitant ses adhérents à mettre en place dès maintenant des procédés de fabrication plus respectueux de l'environnement. En donnant des conseils... Quel type d'alliage choisir pour la brasure sans plomb ? - Pour les composants montés en surface : alliage SAC 305 (étain, 3 % d'argent, 0,5 % de cuivre). - Pour les composants soudés à la vague : SAC 305 ou SN 100C (étain, 0,7 % de cuivre et traces de nickel), alliage moins coûteux mais handicapé par un faible retour d'expérience. En quoi doit-on modifier la sérigraphie ? - La mouillabilité étant plus faible, il peut être nécessaire d'augmenter l'ouverture des masques par rapport aux plages d'accueil. Quels changements au niveau du four ? - Il est nécessaire de surchauffer certaines zones. Le Snese recommande l'utilisation de fours à convection forcée à sept zones minimum. Le refroidissement doit être rapide de façon à garantir une structure fine et solide de la brasure. Comment gérer la mixité plomb/sans plomb ? - Une carte assemblée avec du plomb peut être réparée avec de la soudure sans plomb, et vice versa. Il faut juste retirer l'ancienne soudure (même grossièrement, avec de la tresse par exemple) et braser avec le nouvel alliage.

CHEZ WEIDMÜLLER, DU LCPGF POUR LES CONNECTEURS

- Plomb, chrome, cadmium, retardateurs de flamme bromés... Il peut y avoir tout cela dans les connecteurs. Des composants par conséquent très difficiles à fabriquer en conformité avec la RoHS. Weidmüller l'a pourtant fait pour ses embases S2L-SMT3.5, SL-SMT3.5/5/5.08, SL-Smart5.0x, ainsi que pour ses bornes à insertion directe LSF-SMT. Pour le corps de ces connecteurs, le choix du fabricant s'est porté sur du LCPGF (Liquid Crystal Polymer Glass Fiber), un matériau sans halogène et néanmoins auto-extinguible (point de fusion supérieur à 335 °C). Pour la finition des broches, c'est l'étain pur qui a été retenu. Au final, ces produits résistent à des tests d'immersion à 290 °C pendant deux fois 30 secondes (six fois plus longtemps et 30 °C de plus que la norme). De quoi supporter sans problème les contraintes thermiques liées à l'assemblage sans plomb : 235 °C à 250 °C en refusion, et jusqu'à 260 °C à la vague, selon le type d'alliages utilisés.

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