Gente,
Pietà Ötzi, l'uomo venuto dal ghiaccio, circa 3500 a.C. Si ritiene che fosse coinvolto nella fusione del rame, poiché nei suoi capelli sono state rinvenute sia particelle di rame che arsenico, un oligoelemento presente in alcuni minerali di rame. Non solo veniva lentamente avvelenato dall’arsenico, ma per fondere il rame doveva raggiungere una temperatura del fuoco di legna di circa 1085 °C (1985 °F), come discusso nel mio ultimo post. L’arsenico presente nel rame aveva però un vantaggio, poiché conferiva al metallo una resistenza leggermente superiore rispetto a quella del rame puro.
Poco dopo l’epoca di Ötzi, gli artigiani del metallo scoprirono che aggiungendo il 10% di stagno al rame si otteneva il bronzo. Il bronzo non solo è notevolmente più duro del rame, ma fonde a una temperatura inferiore di quasi 100 °C rispetto al rame puro, rendendo la lavorazione del metallo molto più semplice. L’ Età del Bronzo era iniziata. Questo periodo coincise con ciò che gli studiosi riconoscono come l’inizio delle civiltà moderne, quali quelle egizia e greca.
Poiché fonde a una temperatura più bassa, il bronzo riempie meglio gli stampi. Questo miglior riempimento dello stampo è evidente nella Figura 1. Questa foto mostra un'ascia in rame e bronzo che mi sono fatto realizzare. L'ascia in rame sulla sinistra presenta segni di un riempimento dello stampo non ottimale.
Figura 1. Asce in rame, a sinistra, e in bronzo realizzate per il corso del Dartmouth College corso ENGS 3: Materiali: la sostanza della civiltà. Si noti che l’ascia in rame presenta un riempimento dello stampo insufficiente a causa della temperatura di fusione più elevata del rame.
A mio avviso, è quasi certo che l’Età del Bronzo sia legata allo sviluppo della saldatura. Le prime testimonianza della saldatura risalgono a circa il 3000 a.C., quando, probabilmente la prima civiltà, i Sumeri assemblavano le loro spade utilizzando leghe di saldatura ad alta temperatura. Poiché il metallo di base per la maggior parte delle saldature rame-rame è lo stagno, i primi artigiani metallurgici scoprirono quasi certamente che lo stagno poteva essere utilizzato per unire pezzi di rame o di bronzo a temperature molto inferiori rispetto a quelle necessarie per la fusione.
Fino all’introduzione, nel 2006, delle restrizioni dell’Unione Europea sul piombo nelle leghe per saldatura, la maggior parte delle leghe per saldatura utilizzate nel settore elettronico erano a base di stagno-piombo eutettiche. "Eutettico" è una parola greca che si traduce approssimativamente con "facile da fondere". La Figura 2 mostra il diagramma di fase stagno-piombo. Si noti che il punto di fusione dello stagno è di 232 °C e quello del piombo di 327 °C, ma alla concentrazione eutettica del 63% di stagno e del 37% di piombo, la temperatura di fusione scende a 183 °C. Questa concentrazione e questa temperatura sono note come punto eutettico.
Figura 2. Il diagramma di fase stagno-piombo. Si noti il punto eutettico a 183 °C.
Dopo l’entrata in vigore della normativa UE sul piombo, la maggior parte delle leghe per saldatura utilizzate nel settore elettronico è a base di una lega di stagno-argento-rame che fonde a una temperatura compresa tra 217 e 225 °C. La più comune di queste leghe è la SAC305 (Sn96,5Ag3,0Cu0,5, dove i numeri indicano le percentuali in peso).
Sebbene il punto eutettico sia un fenomeno interessante e solitamente vantaggioso grazie al suo punto di fusione più basso, il vero miracolo della saldatura consiste nel fatto che due pezzi di rame, che fondono a 1085 °C, possano essere uniti tra loro con una lega a base di stagno a una temperatura inferiore a 232 °C. L’importanza di questo vantaggio non può essere sottovalutata. La natura ci ha permesso di unire meccanicamente ed elettricamente due pezzi di rame a una temperatura sufficientemente bassa da poter effettuare questa giunzione in presenza di materiali polimerici elettricamente isolanti. Senza questa caratteristica della lega per saldatura, non esisterebbe l’industria elettronica! Un ulteriore vantaggio è che la giunzione è riparabile, per cui se un componente si guasta, può essere sostituito senza dover rottamare l’intero circuito stampato elettronico.
È naturale chiedersi come avvenga questo legame. Lo stagno presente nella lega di saldatura forma composti intermetallici con il rame. Tipicamente il Cu6Sn5 si forma in prossimità dello stagno eil Cu3Snin prossimità del rame. Vedi la Figura 3.
Figura 3.Intermetallici di rame e stagno tratti da Roubaud et al., "Impact of IM Growth on the Mech. Strength of Pb-Free Assemblies", APEX 2001.
Quindi, la prossima volta che userete il vostro smartphone, laptop, tablet o qualsiasi altro dispositivo elettronico, non dimenticate che senza il miracolo della saldatura non esisterebbe.
Salute,
Dr. Ron
