Lipituri în electronică: aliaje, fluxuri, echipamente

Informații generale despre procesul de lipire în electronică, tipuri de aliaje și fluxuri, echipamente și unelte necesare.

Lipirea în electronică are rolul de a îmbina (electric și mecanic) piese metalice, la cald, cu ajutorul unui metal de adaos în stare topită (numit aliaj de lipit), având temperatura de topire inferioară aceleia a pieselor de lipit care se umezesc, dar nu participă prin topire la formarea îmbinării. Diferența între lipire și sudură este aceea că, la sudură are loc procesul de topire a metalelor ce vor fi îmbinate.

Aliajul de lipit în stare lichidă se comportă asemenea unei picături de apă ce întâlnește o suprafață. Dacă această suprafață este curată și lipsită de particule de praf, grăsimi sau uleiuri, picătura va „umezi” suprafața, distribuindu-se uniform pe aceasta. În caz contrar, tensiunea superficială a lichidului limitează aria de contact cu suprafețele pe care le atinge.

Majoritatea producătorilor de componente electronice folosesc materiale ușor de lipit pentru terminalele componentelor. Metalele și aliajele uzuale sunt cupru, oțel acoperit de cupru sau nichel-oțel, ce pot fi acoperite cu argint, staniu, plumb-staniu sau aur. Principalele surse de contaminare a suprafețelor de lipit sunt grăsimile și uleiurile, praful și oxizii.

Baze teoretice

În timpul lipirii se produc fenomene fizico-chimice complexe și variate la suprafața de contact a fazei lichide a aliajului de lipit și a metalelor de bază. Temperatura ridicată asigură topirea aliajului de lipit și curgerea acestuia în spațiul liber. De asemenea încălzește metalele ce vor fi lipite.

Atomii cu energii mari - datorită încălzirii - din rețeaua cristalină a aliajului topit intră în contact cu atomii metalelor de bază, producându-se modificări datorită solubilității reciproce între aliajul topit și suprafețele de lipit. Când forțele de atracție dintre atomii metalelor de lipit și cei ai aliajului de lipit întrec forțele de atracție dintre atomii proprii aliajului, se produce „umezirea”.

Suprafețele de lipit trebuie protejate de oxidare. De aceea se folosește flux decapant (dizolvă oxizii, favorizează curgerea aliajului topit). Umplerea spațiilor dintre suprafețele de lipit depinde de starea acestor suprafețe și de gradul de umezire, dar și de proprietățile capilare ale aliajului de lipit. Acesta trebuie să se întindă bine pe suprafețele de lipit. Întinderea este influențată în mică măsură de gravitație și în mai mare măsură de existența unei pelicule de oxizi. Factorul determinant al întinderii este însă raportul dintre tensiunile superficiale. Atât umezirea cât și întinderea variază în funcție de prezența unor asperități pe suprafața metalelor de lipit. Acestea favorizează capilaritatea.

Aliaje

Aliajele folosite pentru lipituri în electronică au puncte de topire situate sub 400ºC. Cel mai utilizat este aliajul staniu-plumb, dar există diverse alte combinații bazate pe staniu, plumb, stibiu, argint, indiu și bismut. Aliajele staniu-plumb variază în concentrație, folosindu-se inclusiv staniu pur sau plumb pur. În electronică se utilizează un amestec de 60% staniu cu 40% plumb, datorită apropierii de punctul eutectic (ambele metale din componența aliajului au același punct de topire). Orice alt amestec are puncte de topire diferite, corespunzătoare metalelor din compoziție. Din această cauză, un astfel de aliaj trece printr-o fază intermediară semisolidă, plastică. Mișcarea suprafețelor ce au fost lipite în această fază va duce la formarea unei lipituri „reci”, de aspect granular, mat și cu rezistență mecanică redusă. Cel mai folosit aliaj în lipiturile electronice este aliajul eutectic cu aproximativ 63% staniu și 37% plumb. Acesta este așa-numitul cositor sau fludor, standardizat cu indicativul LP.60 sau LC.60. Există însă și aliaje moderne, fără plumb.

Variația temperaturii de topire în funcție de compoziția aliajelor Sn-Pb

Fluxuri

În procesul de lipire a metalelor este necesar ca în prealabil, de pe suprafața de lipire să se îndepărteze oxizii și impuritățile, să se protejeze metalul împotriva coroziunii și să se reducă tensiunea superficială. Pentru aceasta se folosesc o serie de produse chimice ce poartă denumirea de decapanți, fluxuri sau fondanți. Fluxul trebuie să fie lichid și cu fluiditate suficientă la temperatura de lipire, pentru a se întinde ușor și uniform pe suprafața metalelor de lipit în spațiile dintre acestea. Deci, temperatura de topire a acestuia trebuie să fie inferioară temperaturii de topire a aliajului de lipit. Pentru a facilita umezirea, fluxul trebuie să dizolve peliculele de oxizi de pe metalele ce vor fi lipite, dar să nu adere de acestea. Fluxul nu trebuie să-și modifice proprietățile sau compoziția prin încălzire sau să formeze combinații cu metalele de sau aliajul de lipit. De obicei, fluxul este un bun izolator și asigură și protecție împotriva umezelii.

Din punct de vedere al compoziției, fluxul poate fi bazat pe acid sau fără acid. Cele bazate pe acid au proprietăți bune, dar dacă nu sunt foarte bine îndepărtate de la locul lipiturii după realizarea acesteia, corodează. De aceea, în electronică se folosesc fluxuri fără acid obținute din rășini (colofoniu). Colofoniul are o temperatură de topire de aproximativ 100ºC. Este inflamabil și arde cu mult fum. Este solubil în alcool, eter, benzen și cloroform. Poate fi dizolvat în alcool etilic sau izopropilic pentru a obține o soluție lichidă ce poate fi aplicată cu pensula pe plăcile de circuit făcute acasă. Se facilitează astfel lipirea componentelor și se previne oxidarea traseelor de cupru.

Multe dintre aliajele de lipit existente pe piață sunt de fapt tuburi din aliaj pline cu flux. Se asigură astfel un raport corect între cantitățile de aliaj și flux utilizate.

Echipamente

Uneltele și materialele necesare pentru lipirea componentelor electronice sunt: ciocanul sau pistolul de lipit (cu vârfuri de schimb), aliaj de lipit și flux decapant, clești diverși (pentru îndoirea și tăierea terminalelor componentelor, îndepărtarea izolației firelor) și tresă absorbantă sau bandă dezlipire (pentru îndepărtarea excesului de aliaj de lipit).

Pistolul de lipit conține un transformator cu o ieșire de curent mare și tensiune mică (sub 1 V). Această ieșire se continuă cu ansa de lipit (o sârmă de cupru) care are rezistență electrică mică. La alimentarea transformatorului, curentul mare ce trece prin ansă determină încălzirea rapidă a acesteia. Puterea pistolului de lipit este cam mare pentru plăcile moderne de circuit. Un alt dezavantaj este câmpul magnetic generat de curentul electric ce trece prin ansă și de transformator. Componentele sensibile pot fi deteriorate de acest câmp magnetic.

Ciocanul de lipit se folosește de o rezistență electrică ce încălzește un vârf metalic cu care se află în contact termic. Ciocanele de lipit au puteri diverse, cele destinate lipiturilor în electronică având puteri mai mici decât pistolul de lipit. Vârful de lipit este de asemenea interschimbabil și de forme diverse. Ciocanul de lipit trebuie alimentat de la o rețea electrică cu legare la pământ ca măsură de siguranță dar și pentru a nu deteriora componente sensibile electrostatic.

Puterea ciocanului de lipit se alege proporțional cu cantitatea de aliaj necesară pentru realizarea lipiturii și mărimea suprafețelor de lipit. Astfel pentru componente mici sau montate pe suprafața traseelor de cupru (SMT) se va alege un ciocan de lipit cu o putere până în 30 W. Pentru componente mai mari, cu terminale mai groase se poate folosi un ciocan până în 100 W. Pentru lipirea firelor de carcase metalice sau diverse bare metalice se vor folosi ciocane cu puteri de peste 100 W.

Continuarea acestui articol conține tehnici și sfaturi practice despre lipiturile în electronică.

Bibliografie

• Ing. Theodor Cojocaru. Lipituri în aparatura electronică în Colecția radio și televiziune. Editura Tehnică, 1964.
• John D. Borneman. Successful soldering – Helpful tips on materials, tools and techniques în Computers & Electronics Experimenter’s Handbook 1984. Ziff-Davis Publishing Company, 1983. Disponibil la American Radio History.
• Contribuitorii Wikipedia. Colofoniu în Wikipedia, enciclopedia liberă, 2015.