Demistificazione della saldatura: comprendere le basi per avere successo nella saldatura
La saldatura è un’abilità sorprendentemente facile da acquisire a condizione che tu sappia cosa stai facendo. Quest’ultimo è fondamentale perché l’imbarcazione comporta la manipolazione di componenti classificati per resistere a un massimo di 250 ° F con uno strumento che funziona a 650 ° F.
Il margine di errore qui è piuttosto sottile e gli errori sono spesso catastrofici e costosi, il che scoraggia la maggior parte dei principianti dal persistere attraverso i fallimenti iniziali. Tuttavia, questo può essere evitato del tutto ottenendo le basi fin dall’inizio.
Continua a leggere per imparare i fondamenti della saldatura e risparmiarti gli orrori dell’elettronica carbonizzata e dei sogni infranti.
Perché dovresti preoccuparti di saldare?
Al livello più elementare, la saldatura crea connessioni elettriche (e di conseguenza meccaniche) affidabili tra componenti metallici conduttivi. Ciò comporta l’incollaggio di una coppia di fili o di un componente elettronico su un circuito stampato (PCB).
I pensatori critici tra di voi potrebbero chiedersi perché non semplicemente attorcigliare i fili o collegare i componenti sui PCB utilizzando dadi e bulloni. Ci sono due problemi principali con questo approccio. Per cominciare, tali connessioni non sono meccanicamente stabili sotto movimento o vibrazioni. In secondo luogo, sebbene meccanicamente validi, i dispositivi di fissaggio non sono affatto stabili dal punto di vista elettrico.
Abbiamo chiesto informazioni al Dr. Lakshmi Narayan Ramasubramanian del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l’Indian Institute of Technology Delhi , per chiarezza su alcuni degli aspetti più tecnici della saldatura.
L’elettronica sensibile necessita assolutamente di connessioni elettriche a bassa resistenza per mantenere una conduttività costante per tutta la durata del prodotto. Questo è difficile da ottenere semplicemente accoppiando i componenti con gli elementi di fissaggio. L’inevitabile traferro tra i componenti in tali giunti porta all’ossidazione (o alla ruggine per i metalli ferrosi), che diminuisce notevolmente la conduttività elettrica. Questi ostacoli rendono la saldatura indispensabile per le applicazioni di elettronica di precisione a bassa tensione.
Quando si saldano due componenti, la saldatura stessa si combina con il metallo (di solito rame) per formare una lega completamente nuova. La saldatura lega essenzialmente i componenti a livello molecolare, senza lasciare traferro ed eliminando così la possibilità di ossidazione. La stabilità meccanica aggiunta è un bonus di benvenuto.
Lega saldante eutettica e azione solvente metallica
Legare i metalli fondendoli insieme è una proposta rischiosa considerando come la maggior parte dei componenti a semiconduttore è classificata per funzionare a una temperatura massima di 250 ° F. L’uso del calore per fondere i cavi di un chip integrato con i pad su un PCB non è fattibile poiché il rame si scioglie a una temperatura di 1984 ° F da leccarsi gli occhi. Sei destinato a friggere il componente molto prima di stabilire un giunto affidabile.
È qui che entrano in gioco la composizione unica e le proprietà termodinamiche della saldatura.
La saldatura è una lega eutettica composta da piombo e stagno. La punta eutettica è importante perché consente alla lega di fondere a una temperatura significativamente inferiore rispetto ai suoi metalli costituenti. Mentre il piombo puro e lo stagno fondono rispettivamente a 620 ° F e 450 ° F, una lega di saldatura composta da questi due metalli miscelati in un rapporto di 63:37 inizia a fluire a soli 361 ° F.
Sebbene la saldatura possa sembrare che implichi la fusione di fili di rame o cavi di componenti su un PCB, in realtà il processo funziona sfruttando l’azione del solvente metallico della saldatura. Quando la saldatura a caldo viene introdotta nei conduttori del componente in rame, agisce come un solvente che penetra e dissolve le superfici di rame esposte. Questa azione del solvente li fonde a livello molecolare per formare una lega completamente nuova nello strato intermetallico.
Questo fenomeno è chiamato azione bagnante ed è assolutamente critico per il processo di saldatura, cioè la trasformazione di componenti disparati in un corpo continuo ed elettricamente conduttivo di lega ibrida.
Sconfiggere l’ossidazione con Flux
L’azione del solvente metallico della saldatura è il fondamento stesso dei giunti saldati di successo. Tuttavia, in termini pratici, la saldatura non può avviare da sola l’azione di bagnatura. Questo processo è catalizzato fornendo calore sia alla saldatura che ai cavi dei componenti in rame.
Questo è un problema perché il calore provoca anche l’ossidazione rapida delle superfici di rame esposte in presenza di aria. Il conseguente strato limite di ossido agisce come una barriera che rende impossibile la bagnatura. Il problema peggiora con sporco, sporcizia, oli per le dita, grasso e altri contaminanti presenti sulle superfici dei componenti. Questi inibiscono ulteriormente l’azione del solvente metallico necessaria per un giunto saldato di successo.
Puoi provare a pulire le superfici, ma incontrerai uno strato di ossido nuovo di zecca nel momento in cui applicherai nuovamente il calore ai cavi di rame. Se solo ci fosse un modo per rimuovere lo strato di ossido durante la saldatura. Bene, questo è esattamente ciò che fa il flusso.
Flux è composto da colofonia, che è una forma solida di resina ottenuta dalle piante. Ai fini dell’elettronica, la colofonia viene utilizzata da sola o combinata con attivatori blandi che consentono al flusso risultante di rimanere non corrosivo e non conduttivo a temperatura ambiente. Lo stesso diventa sufficientemente attivo per rimuovere chimicamente gli ossidi e altri contaminanti quando viene fornito con calore sufficiente.
Quando rivesti le superfici destinate alla saldatura con flusso, il calore applicato durante il processo di saldatura catalizza il flusso e rimuove le impurità. Questo espone il rame puro e rende possibile l’azione bagnante. Il flusso può essere applicato ai componenti prima della saldatura, ma viene anche introdotto durante il processo attraverso il filo di saldatura stesso.
La maggior parte dei fili di saldatura moderni ha un nucleo interno riempito con flusso di colofonia che viene erogato automaticamente durante la saldatura.
Quando saldare e quando non saldare
Ora che abbiamo capito la scienza dietro la saldatura, è altrettanto importante sapere quando saldare e quando è una cattiva idea farlo. Tutto ciò che riguarda i PCB è quasi esclusivamente saldato. Il processo offre un’eccellente conduttività elettrica e un discreto grado di fissaggio meccanico, riducendo notevolmente le dimensioni complessive dei vostri progetti di elettronica.
Tuttavia, a volte è utile sapere esattamente quando non dovresti ricorrere alla saldatura.
Sebbene i fili possano essere saldati tra loro o sui PCB, è necessario riconsiderare ogni volta che l’applicazione desiderata comporta un qualsiasi grado di movimento o vibrazione. Le applicazioni automobilistiche, di robotica e di stampa 3D sono ottimi esempi in cui la saldatura è solitamente limitata ai PCB ed è categoricamente evitata per tutte le terminazioni dei cavi.
Questo perché i giunti saldati sono duri, ma fragili e quindi vulnerabili alla fatica da flessione. Caratteristica decisamente poco desiderabile per giunti elettrici soggetti a vibrazioni e movimenti costanti. I cavi saldati in tali applicazioni sono soggetti a fatica da flessione e di conseguenza cedono ai giunti fragili.
Questo è esattamente il motivo per cui le terminazioni dei cavi soggette a tali forze vengono crimpate anziché saldate in queste applicazioni.
Anche se questo può sembrare controintuitivo, la saldatura non è l’unico modo per ottenere giunti a tenuta di gas e resistenti all’ossidazione. L’enorme pressione generata durante la crimpatura fonde i cavi di rame a livello molecolare, il che li rende perfettamente a tenuta di gas.
Infatti, i giunti aggraffati sono sia meccanicamente che elettricamente superiori alle loro controparti saldate, pur essendo resistenti alla fatica di flessione. Il Dr. Ramasubramanian cita l’assenza di intermetallici nelle connessioni crimpate come il motivo principale per cui l’interfaccia in rame puro mostra una migliore conduttività rispetto ai giunti saldati.
Spiega anche che la connessione rame-rame dei giunti crimpati è intrinsecamente più forte perché atomi simili tendono a formare legami forti e stabili. D’altro canto, gli atomi dissimili di rame, piombo e stagno che si trovano nelle connessioni saldate formano legami relativamente più deboli che sono sotto sforzo costante, il che a sua volta accelera la rottura per fatica sotto stress meccanico.
Questo è anche il motivo per cui non troverai una singola terminazione del cavo saldata nel vano motore del tuo veicolo. Idem per stampanti 3D e qualsiasi altro dispositivo soggetto a vibrazioni e movimenti costanti.
Più si conosce
Conoscere la meccanica alla base della saldatura e quando è opportuno applicarla ai tuoi progetti farà la differenza tra il successo e un centinaio di dollari in elettronica danneggiata.
