Gente,
La temperatura di esercizio dei componenti elettronici di un'automobile moderna può superare i 125°C. Queste temperature elevate sollevano il problema della crescita intermetallica di rame e stagno nei giunti di saldatura.
Spesso non si pensa al fatto che anche la temperatura ambiente è una frazione considerevole della temperatura di fusione dello stagno, ad esempio 293K/505K = 0,5802. Ricordiamo che per questi calcoli dobbiamo utilizzare la scala Kelvin. Tuttavia, 125C corrisponde a 0,788 del punto di fusione dello stagno. Questa temperatura è l'equivalente del ferro battuto di un fabbro a 895C. La Figura 1 mostra un diagramma della temperatura della fucina di un fabbro. Si noti che 895C è oltre il punto di fusione.
Figura 1. Grafico della temperatura della forgia di un fabbro
Quindi, qual è l'accrescimento intermetallico rame-stagno della saldatura SAC a 125C in funzione del tempo? La legge di Fick sulla diffusione ci dice che la crescita dell'intermetallo, D, è data da:
D = (k(T)t)^0.5 Eq 1.
Dove k(T) è una costante di crescita dipendente dalla temperatura e t è il tempo. Siewert etal[i] hanno condotto esperimenti in cui D è stato misurato per varie temperature e tempi per le saldature SAC. Seguendo le indicazioni di Siewert, utilizzerò il tempo in ore. Utilizzando i dati riportati nelle figure da 2a a 2c per le saldature SAC, sono riuscito a tracciare il grafico di Arrhenius di k (Figura 2).
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Figura 2. Un diagramma di Arrhenius dei dati di Siebert
Dalla Figura 2, vediamo che Ln k = -6784,7/T+ 14,81 o k = exp (14,81)*exp-(6784,7/T). Quindi, a 125C o 398K, k = 0,1068. Utilizzando questo valore di k, possiamo tracciare il grafico di D in funzione del tempo. I risultati sono riportati nella Figura 3. Si noti che entrambe le scale sono logaritmiche. In 1.000 ore (42 giorni) l'intermetallo è cresciuto di 10 micron. In 3 anni, raggiunge i 53 micron. Dobbiamo essere cauti, perché i dati di Siewet hanno delle barre di errore. Ma la mia sensazione è che queste proiezioni siano entro un fattore di due.
Figura 3. Crescita intermetallica in funzione del tempo a 125°C in una saldatura SAC.
Qual è l'effetto di questi intermetalli spessi in un ambiente automobilistico difficile? Nessuno lo sa, ma incoraggerei qualcuno a eseguire degli esperimenti per scoprirlo.
Salute,
Dr. Ron
[i] Siewert, T. A. etal, Formation and Growth of Intermetallics at the Interface between Lead-Free Solders and Copper Substrates, APEX 1994.
