Lo strato di ossido può essere spesso solo una molecola, ma è quanto basta per impedire che si verifichi la bagnatura del giunto; e non è sufficiente rimuovere gli ossidi, deve esserne impedita la formazione di nuovi. Ecco il compito di un agente segreto, di cui tutti parlano, ma che pochi conoscono a dovere: il flussante.
Decine di produttori vendono ciascuno la propria formulazione di flussante, quasi tutte sono proprietarie, e tutta la documentazione commerciale contiene affermazioni a volte approssimate, a volte fuorvianti e, in alcuni casi, vuote di significato. La letteratura veramente significativa sul flussante è scritta da chimici ed è poco comprensibile per le persone che effettivamente utilizzano giornalmente il flussante. Anche la terminologia può essere difficile da comprendere a fondo. Ciò che è utile agli utenti è sapere perché è necessario il flussante, gli ingredienti contenuti e la loro azione.
Il compito del flussante di saldatura
Per comprendere il flussante è necessario comprendere cosa fa e come agisce.
Come per la maggior parte delle attività relative alla saldatura, tutto inizia con le forze di bagnatura. Quando la saldatura scorre su una superficie come il terminale di un componente o su una piazzola, si dice che "bagna" la superficie. La mancata fluidità è una “non bagnatura”. Ciò che molte persone chiamano "saldatura fredda" in realtà non ha nulla a che fare con la mancanza di calore; è semplicemente una “non bagnatura”.
Quattro forze determinano la quantità di bagnatura: tensione superficiale, viscosità, forza di gravità e attrazione interatomica.
La tensione superficiale dipende dal fatto che gli atomi sulla superficie di un liquido sono attratti dagli atomi all'interno del liquido. Alcuni liquidi hanno una tensione superficiale molto bassa, mentre altri hanno una tensione superficiale più alta. L’esempio lo si vede versando un po' di alcol (tensione superficiale molto bassa) su una superficie non porosa come il vetro; il termine di paragone lo si ha versando dell'acqua (tensione superficiale decisamente maggiore). L'alcol si espande “appiattendosi”, mentre l'acqua tende a raccogliersi e formare gocce. La tensione superficiale della lega per saldatura è molto più forte di quella dell'acqua (col Lead Free maggiore rispetto a SnPb) e fa sì che la saldatura si raccolga a forma di sfera. La tensione superficiale è la forza più potente di contrasto alla bagnatura.
L’attrito è la resistenza opposta ad un oggetto che si muove su una superficie, ma l'attrito esiste anche all'interno dei liquidi ed è la viscosità. Entrambe le forze agiscono contro la bagnatura del giunto, ma sono meno incisive della tensione superficiale.
Una terza forza che contrasta la bagnatura è la gravità, che aiuta se la lega fusa è applicata al di sopra del giunto da realizzare (superficie del pad rivolta verso l’alto), ma agisce contro la bagnatura se la lega è applicata dal di sotto rispetto al giunto da formare (ad esempio contrasta il riempimento di PTH nella saldatura a onda).
La somma di queste tre forze è negativa e contrasta la bagnatura.
Nella bagnatura interviene una quarta forza, positiva e più forte della somma delle altre tre. Questa forza è l'attrazione interatomica tra il metallo puro della superficie (piazzola) e la lega. Gli atomi dei metalli, in quanto buoni conduttori elettrici, sono instabili; tendono a combinarsi con altri elementi per condividere gli elettroni.
Quando la saldatura viene applicata a una superficie di metallo puro, si stabilisce una forte attrazione tra il metallo di superficie e la lega.
L'attrazione supera le forze di contrasto e la lega, scorrendo su pad e terminali, li bagna.
Allo stesso tempo, una reazione chimica tra lo stagno e il metallo di superficie crea un composto intermetallico. Nel caso del rame, l’intermetallico risultante è costituito da tre atomi di rame combinati con un atomo di stagno (Cu3Sn).
Ossidazione e disossidazione
Tranne l’oro, le superfici metalliche presenti nell'elettronica normalmente non sono allo stato di metallo puro; sono ricoperte da un composto inerte, l'ossido metallico. Per ottenere la bagnatura, l'ossido deve essere rimosso prima dell'applicazione della saldatura.
Gli ossidi metallici sono creati dalla reazione chimica tra atomi di metallo e atomi di ossigeno. La reazione di ossidazione inizia istantaneamente ogni volta che una superficie di metallo puro viene esposta all'ossigeno. Lo strato di ossido prodotto in quell'istante è sufficiente a impedire il contatto necessario tra atomi di lega e di metallo sottostante.
Tuttavia, l'ossidazione potrebbe non arrestarsi in superficie, potrebbe continuare finché gli atomi di ossigeno possono raggiungere gli atomi di metallo sotto l'ossido.
A livello molecolare, lo strato di ossido non è un continuo come appare a livello macroscopico, ma è poroso. Se i pori tra l’ossido sono più grandi degli atomi di ossigeno, questo gli passerà attraverso raggiungendo i livelli sottostanti, accrescendo lo strato d’ossido.
La porosità dell'ossido dipende dal metallo. L'ossido di ferro (comunemente la ruggine) ha pori grandi, mentre i pori dell'acciaio inossidabile sono più piccoli delle molecole di ossigeno. La differenza di porosità spiega perché il ferro alla fine subisce un'ossidazione completa mentre l'acciaio inossidabile ha durata praticamente illimitata.
Il rame e lo stagno possono ossidarsi più a fondo dell'acciaio inossidabile, ma alla fine i pori si chiudono e l'ossidazione si arresta.
Saldabilità e saldabile
I concetti di saldabilità e saldabile, che sembrano intercambiabili, in realtà esprimono significati diversi. Saldabilità si riferisce alla difficoltà di rimuovere l'ossido da una superficie ed è un concetto relativo. Se la superficie A può essere disossidata più facilmente della superficie B, si dice che A ha una migliore saldabilità. Ad esempio lo stagno ha una migliore saldabilità del rame che ha una migliore saldabilità del nichel. Tuttavia, tra piazzole dello stesso metallo (idem per pin e reofori), alcuni possono avere meno ossido e, quindi, una migliore saldabilità di altri. La saldabilità dei componenti in genere si degrada con l'età. I circuiti stampati più recenti di solito hanno una migliore saldabilità rispetto a quelli in magazzino da più tempo (stesso codice prodotto).
Mentre la saldabilità è comparativa (A ha una saldabilità migliore di B), saldabile è tutto o niente e ha significato solo in relazione al flussante utilizzato. Se il flussante da utilizzare disossida la scheda nel tempo disponibile fino all'applicazione della lega, la scheda è saldabile. Se il flussante non riesce a rimuovere tutti gli ossidi in tempo utile, la scheda non è saldabile. Pertanto A, specificata come avente una saldabilità migliore di B, potrebbe non essere saldabile con un dato flussante.
La difficoltà di rimozione degli ossidi è determinata dalla loro quantità e dal tipo di metallo.
Un ossido più spesso significa che la disossidazione sarà più difficile; è un processo chimico in cui l'acido reagisce con l'ossido formando acqua e sali metallici. Il contenuto di acido può essere esaurito prima che tutti gli ossidi vengano rimossi.
Anche se l'acido non è esaurito, gli ossidi sotto la superficie potrebbero non essere rimossi; infatti potrebbe non esserci abbastanza tempo per rimuovere tutto l'ossido prima dell'applicazione della lega. È importante ricordare che un'ossidazione sufficiente per impedire l'attrazione interatomica avviene all'istante, mentre la reazione disossidante richiede tempo.
Il flussante deve lavorare più velocemente nella saldatura manuale rispetto alla rifusione o alla saldatura a onda. Con la saldatura manuale, il calore per attivare il flussante proviene dal saldatore al cui contatto la lega si scioglie subito.
Nel forno il calore viene applicato per molti minuti prima che la lega rifonda o nella saldatrice prima che la scheda giunga sull’onda. Il preriscaldamento implica che sia data al flussante attivato una maggiore opportunità di rimuovere gli ossidi più spessi.
Tuttavia, il tempo diventa irrilevante se il problema di saldabilità è dovuto al tipo di metallo piuttosto che alla quantità di ossido.
Gli ossidi di stagno e rame vengono rimossi facilmente, mentre nel nichel (che ha legami più forti con l'ossigeno) l’operazione è sostanzialmente più difficile. Contrariamente alla credenza popolare, non tutte le superfici lucide sono facili da disossidare. Il cromo è un metallo argentato lucido, ed è più difficile da disossidare rispetto all'acciaio inossidabile.
Tuttavia, non ha senso rimuovere gli ossidi se non se ne può impedire la formazione di nuovi prima dell'applicazione della lega.
