Gli intermetallici sono un male necessario nel mondo dell'incollaggio metallo-metallo, che include sicuramente la saldatura. Esistono due modi fondamentali in cui un metallo si lega "chimicamente" a un altro metallo: 1) soluzione solida 2) intermetallica. Per il momento ci concentreremo solo sull'intermetallica, in quanto è la più pertinente al mondo della saldatura.
Molte persone confondono o scambiano la "bagnatura" con la formazione intermetallica (legame). La bagnatura è solo bagnatura. Il fatto che una saldatura "si bagni" su una superficie non significa che si sia formato un "legame" intermetallico. Ad esempio, e l'ho fatto io stesso, è possibile fondere 55,5Bi 44,5Pb su un pezzo di rame. Il BiPb fuso scorre e si "bagna" sulla superficie del rame. Tuttavia, dopo la solidificazione (raffreddamento) della lega, il BiPb può essere staccato. Perché? Perché non si è formata alcuna intermetallica tra il BiPb e la superficie del rame.
Affinché si formi un intermetallo, una certa quantità di metallizzazione superficiale deve dissolversi nella saldatura fusa. Per questo motivo, lo Sn (stagno) è stato a lungo un componente fondamentale delle leghe di saldatura. Lo Sn (stagno) fuso è un eccellente solvente di molti altri metalli. E, per nostra fortuna, questi "molti altri metalli" includono elementi come rame, oro, argento e, in misura minore, nichel. Le velocità con cui questi altri metalli si dissolvono nello stagno fuso (saldatura) sono diverse. L'oro si scioglie facilmente nella saldatura, mentre il nichel lo fa lentamente. Quindi, poiché la velocità di dissoluzione è diversa per ciascun metallo, anche la velocità di formazione delle intermetalliche è diversa. Ho avuto a che fare con aziende che hanno una lunga storia di saldature su rame e, per qualsiasi motivo, sono state costrette a passare a una superficie ENIG (Electroless Nickel / Immersion Gold). (È importante notare che lo strato d'oro è molto sottile e viene applicato solo per proteggere il nichel dall'ossidazione. Lo strato d'oro si dissolve completamente nella saldatura fusa e il "legame" viene effettivamente creato sulla superficie del nichel). Quando effettuano la modifica, a volte riscontrano una serie di problemi, come bagnatura incompleta, scarsa forza di legame, ecc. e non sanno perché. Non sanno che lo stesso profilo di rifusione (tempo e temperatura) che ha prodotto un buon legame (intermetallico) con il rame non è sufficiente per ottenere lo stesso legame intermetallico con il nichel. Una volta regolato il profilo (più tempo e/o temperatura più alta) per consentire una sufficiente formazione intermetallica, si riesce a ottenere giunti di saldatura accettabili. Si tenga presente che la dissoluzione, il fenomeno di un solido che si scioglie in un liquido, è influenzata sia dal tempo che dalla temperatura. In generale, più tempo e più temperatura consentono una maggiore dissoluzione e, quindi, una maggiore formazione intermetallica.
Come accennato nella mia frase di apertura, gli intermetallici sono un male necessario. Perché "male"? Perché tendono a essere la parte più fragile del giunto di saldatura. Alcune intermetalliche sono più fragili di altre (questo dovrebbe essere preso in considerazione quando si sceglie una lega di saldatura per una particolare metallizzazione). Ad esempio, le intermetalliche che si formano tra Sn e Au sono spesso estremamente fragili. Essendo fragili, possono essere soggette a fratture, ecc. Questo è un caso in cui più non è sempre meglio. Sì, è necessario un intermetallo per ottenere un "legame". Uno strato intermetallico troppo sottile può essere dannoso, ma uno strato intermetallico troppo spesso può essere altrettanto dannoso, se non peggio. Che ci si creda o no, la saldatura potrebbe non aderire bene al proprio strato intermetallico. Gli intermetalli sono generalmente strutture cristalline e chimicamente stabili.... che, una volta formate, non reagiscono con nient'altro. Se avete mai osservato un giunto di saldatura fratturato, avrete notato che la frattura si è probabilmente verificata proprio all'interfaccia tra lo strato intermetallico e la saldatura in massa.
Un altro possibile risultato di uno strato intermetallico troppo spesso è il "voiding" all'interfaccia. Perché? Per prima cosa dobbiamo esaminare i prodotti di reazione. Esistono due tipi fondamentali di prodotti di reazione che formano lo strato intermetallico tra Sn e Cu. Si tratta di Cu3Sn e Cu6Sn5. Nella f
Nel primo caso ci sono 3 atomi di Cu per ogni atomo di Sn e nel secondo caso 6 atomi di Cu per ogni 5 atomi di Sn. In entrambi i casi il Cu viene consumato più velocemente degli atomi di Sn. A causa di questa disparità nella reazione, in uno scenario esagerato, si possono formare dei piccoli fori o vacuità ("vuoti") nella superficie del rame.
La formazione intermetallica non è limitata al processo di saldatura. Gli atomi di metallo possono diffondersi anche allo stato solido. Questo movimento può far interagire gli atomi di metallo, farli reagire e formare intermetalli o far ispessire lo strato intermetallico esistente. Spesso si eseguono esperimenti di "invecchiamento" per misurare la variazione dello strato intermetallico e il suo effetto sulla natura meccanica del giunto.
È ben al di là dell'ambito o dello scopo di questo blog post fornire una discussione esaustiva sull'intermetallica. Si potrebbero scrivere libri interi sull'argomento. Quindi, sono ben lontano dal rendere giustizia al tema dell'intermetallica. Posso solo sperare di fare un po' di luce sull'argomento.
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