El fascinante mundo de las aleaciones de soldadura y la metalurgia

Aug 01, 2023

La soldadura es el pegamento de metal conductor que se usa para unir los componentes. Si calienta lo suficiente el componente y la placa de circuito impreso y derrite un poco de soldadura en la unión, se mantendrá en su lugar y se conducirá de manera confiable. Pero está lejos de ser simple.

Hay muchas aleaciones de soldadura diferentes, e incluso la punta del soldador en sí es una obra maestra de múltiples materiales. En este artículo, echaremos un vistazo a la metalurgia detrás de la soldadura y verá por qué el mantenimiento de la punta de soldadura y el reemplazo regular son una buena idea. Naturalmente, también abordaremos el papel que juega el plomo en las aleaciones de soldadura y cuál es el efecto de reemplazarlo con otros metales cuando se deja de usar plomo. ¿Con qué estás soldando?

La soldadura blanda y su primo de temperatura más alta, la soldadura fuerte, son una de las dos formas esenciales de crear uniones de metal con metal, y permiten el uso de técnicas de baja temperatura que aún crean uniones relativamente estables entre dos superficies metálicas. La soldadura blanda es también un capítulo interesante en el campo de la metalurgia, por estar basada en los llamados compuestos intermetálicos (IMCs).

La soldadura contrasta con la soldadura blanda, donde las altas temperaturas funden el metal por ambas caras de las piezas que se van a unir, fusionándolas de forma permanente. La soldadura es una forma de unir piezas de metal de alta resistencia y alta confiabilidad, pero desafortunadamente no es adecuada para la electrónica delicada donde el exceso de calor puede dañar las piezas y el objetivo es más 'pegar' los elementos conductores de electricidad que fundirlos.

Esto también nos lleva a la razón por la que la soldadura y los IMC son una fuente de problemas, hasta el punto de que los IMC se denominan "malvados". Los IMC son esencialmente fragmentos de las dos superficies metálicas de cada lado disueltas en la soldadura, lo que provoca una unión suficiente para que cada lado de la unión se fusione de manera más o menos estable con la soldadura. Desafortunadamente, un IMC de este tipo está muy lejos del metal sólido estable de una junta de soldadura y, como resultado, puede ser quebradizo dependiendo exactamente de qué metales estaban involucrados en la aleación de soldadura.

Pero los IMC formados en la soldadura son lo suficientemente fuertes, y su formación es la razón por la que cada aleación de soldadura utiliza estaño. El estaño tiene la propiedad de que es muy bueno para dejar que otros metales se disuelvan en él. De hecho, es posible soldar con estaño puro, aunque como veremos a continuación, la mayoría de las soldaduras se mejoran al agregar otros metales a la mezcla.

Sin embargo, la soldadura no se derrite sola, e incluso la construcción de la punta del soldador tiene mucha metalurgia escondida debajo de la piel. Las puntas en sí mismas son estructuras compuestas, que generalmente consisten en un núcleo de cobre telurio, recubiertas por una capa de hierro resistente, normalmente cubiertas con estaño para la parte que se supone que es 'mojable' y con cromo para la parte debajo de la punta donde se suelda. no se supone que se pegue. La capa de hierro se añadió para evitar que el estaño de la soldadura disolviera el cobre de la punta, lo que solía ser un problema importante.

La capa de hierro es un mal conductor térmico y debe mantenerse lo más delgada posible sin perder los beneficios de durabilidad que proporciona. Pero debido a que el hierro se oxida, debe mantenerse cubierto con una fina capa de estaño de la soldadura.

Si se forman óxidos de hierro, hay varias formas de eliminar esta acumulación. Esencialmente, esto implica métodos abrasivos para eliminar físicamente la capa de óxido, o el uso de un estañador de puntas, que genera un ácido cuando se expone al calor del soldador. Este ácido es más fuerte que el ácido suave del fundente, por lo que debería eliminar incluso los óxidos de hierro. La soldadura fresca se mezcla con un limpiador de puntas, por lo que la punta se recubre inmediatamente y está lista para funcionar.

Cuando se trata de ese rollo de soldadura que la gente tiene por ahí, rara vez se da más que un pensamiento superficial sobre qué aleación es y cuáles son las propiedades exactas de esa aleación. Puede pensar en la soldadura como "con plomo" versus "sin plomo", pero hay mucho más que saber que eso.

Siguiendo con la soldadura a base de plomo por ahora, una mirada superficial revela que hay una gran cantidad de tipos populares, junto con sus temperaturas de fusión, aquí:

Las mezclas 60/40 y 63/37 de estaño y plomo son las más comunes entre los aficionados. Una propiedad interesante de algunas de estas aleaciones es que son eutécticas, lo que significa que en su diagrama de fase, todos los metales de la aleación coinciden en sus fases líquida y sólida: las soldaduras eutécticas se funden completamente a una sola temperatura.

En aleaciones sin plomo, aquí también tenemos una lista impresionante:

Aquí podemos ver que las aleaciones sin plomo tienen un punto de fusión más alto que la soldadura con plomo en promedio, y hay aleaciones eutécticas y no eutécticas disponibles.

La ventaja de una aleación eutéctica es que es mucho más fácil obtener una buena junta con ella. Si bien la soldadura no eutéctica seguirá funcionando, existe un riesgo mucho mayor de defectos en la unión resultante, lo que puede provocar grietas y otros problemas con el tiempo. Las aleaciones eutécticas, debido a la matriz molecular de todos los metales de la aleación que se forman al mismo tiempo que solidifican, tienden a crear juntas muy regulares, mecánica y eléctricamente estables.

Concretamente, al pasar de soldar con plomo a soldar sin plomo, hay dos grandes cambios:

Como indica este PDF de Kester, el estaño en la soldadura no solo se une a la junta de soldadura, sino que también disuelve el cobre y el hierro en la punta misma, razón por la cual las puntas eventualmente se desgastan. Por lo tanto, una punta diseñada para soldadura con base de plomo 63/37 no durará tanto cuando se usa con soldadura sin plomo como Sn99.3Cu0.7 o Sn95.5Ag3.8Cu0.7 porque el revestimiento de hierro se disolverá en el estaño. significativamente más rápido.

Viceversa, también pueden surgir problemas. Si bien se puede usar una punta de soldadura clasificada para aleaciones sin plomo con aleaciones a base de plomo sin problemas, nunca es una buena idea usar esa punta después para soldar sin plomo. Los rastros de plomo pueden ingresar en la soldadura sin plomo y alterar la forma en que esta última se derrite y luego se solidifica, lo que probablemente cause uniones defectuosas y poco confiables.

Mientras se habla de metalurgia de soldadura a base de plomo, es difícil evitar los gigantescos elefantes gemelos en la sala: las implicaciones para la salud del plomo y la formación de bigotes de estaño. Un artículo anterior de Ask Hackaday ya se refirió a esto recientemente. Las implicaciones para la salud son bastante fáciles de resumir: el plomo es una de las pocas sustancias en las que no hay una cantidad que pueda considerarse segura. El plomo se bioacumula en el cuerpo, y es fundamental que se evite la contaminación por plomo en el lugar de trabajo mediante la limpieza de las superficies contaminadas.

En cuanto al vapor producido durante la soldadura, ya sea sin plomo o con base de plomo, no contendrá plomo, pero sí el vapor de fundente calentado, que en el caso de la colofonia produce colofonia. Esta es una mezcla compleja de gases y partículas que irritan el sistema respiratorio humano y dañan el tejido pulmonar en el proceso.

La formación de filamentos de estaño ha sido un tema importante, mucho antes del cambio a soldaduras sin plomo. Desafortunadamente, la formación de bigotes en la metalurgia es un fenómeno poco conocido, con la explicación habitual que involucra la fuerza de compresión que causa el crecimiento de estos bigotes. Si bien la adición de plomo a la soldadura a base de estaño ayudó a reducir el crecimiento de los bigotes, no es una solución completa.

La aplicación de un revestimiento de conformación, o el uso de aleaciones específicas, puede ayudar a limitar la formación de filamentos de estaño. También se debe tener en cuenta que no solo el estaño es susceptible a la formación de bigotes, sino que también están implicados otros metales. Hasta que comprendamos mejor la física detrás de esto, prevenirlo significa encontrar la formación de aleación correcta por pura suerte.

Si bien nos divertimos mucho soldando, también es una entrada a la ciencia de la metalurgia, e incluso más allá. Pero después de leer esto, esperamos que piense un poco más en su aleación de soldadura y mantenga su punta libre de óxido y estañada, cualquiera que sea la mezcla que elija. Y nos encantaría escuchar cualquier historia que tengas sobre los bigotes de hojalata.