Co powoduje, że lut twardnieje?

31

Drut lutowniczy jest bardzo miękki i giętki, ale lutowanie na płytce drukowanej jest twarde. Czemu? Nie udało mi się znaleźć ostatecznej odpowiedzi, ale przychodzą mi na myśl następujące pomysły:

  • Pewna reakcja chemiczna, która zachodzi, gdy lut jest podgrzewany, a następnie ochładza się. Jeśli tak, jaka jest ta reakcja? Może z topnikiem jakoś reaguje, ale co z lutem, który nie ma topnika?

  • Drut lutowniczy jest mniej gęsty, ponieważ jest pusty lub ma rdzeń topnikowy, co ułatwia gięcie. Wydaje się to mniej prawdopodobne, ponieważ cienkie wąsy wydają się znacznie twardsze niż drut lutowniczy, mimo że są cieńsze.

Michał
źródło
1
Wąsy są znacznie trudniejsze i sztywniejsze. Wąsy są strukturami monokrystalicznymi. Drut lutowniczy jest polikrystaliczny. Lutowane na płytce drukowanej jest polikrystaliczne, ale tam, gdzie rozmiar fizyczny jest porównywalny z rozmiarem kryształu, właściwości objętościowe są wysoce zależne od fizycznego rozmieszczenia.
David
Lut na płytce drukowanej nie powinien różnić się od „lutu” lutowniczego, z którego pochodzi, chyba że płytka drukowana została poddana ekstremalnym warunkom, a lut był „odtłuszczony”.
brhans
3
Powinieneś prawdopodobnie zapytać o to ponownie na stronie fizyki i / lub chem SE. Poniższe odpowiedzi, choć mocno uprzywilejowane, są bardzo wygodne. Nie mogę się pochwalić głębokim zrozumieniem metalurgii, ale zauważam, że lut tworzy stop z Cu na powierzchni. Dlatego się tego trzyma. Drugi problem [re] krystalizacji itp., O którym niewiele wiem. Mogę powiedzieć na pewno, że to, dlaczego lutowie twardnieje lub nie twardnieje po stopieniu, nie jest tematem normalnie nauczanym w klasie EE.
Fizz,
1
Czy nikt nie ma pod ręką testera twardości?
Spehro Pefhany,

Odpowiedzi:

20

@Kaz i @LongStrokinYerMomma są blisko właściwego wyjaśnienia.

Kiedy mówimy o właściwościach mechanicznych metalu / stopu, musimy wziąć pod uwagę struktury kratowe. I w tym przypadku nasza troska nie dotyczy wielu reakcji chemicznych.

Widzisz, dwa zjawiska są odpowiedzialne za tę obserwację:

1. Rekrystalizacja

Zdolność metalu / stopu do wciągnięcia w drut nazywa się ciągliwością. Kiedy kęs drutu lutowniczego jest przeciągany przez różne matryce o zmniejszających się średnicach, przechodzi proces zwany hartowaniem odkształceniowym, co czyni go bardziej odpornym (tj. Wielokrotnym zginaniem bez łatwego pękania) na siły ścinające / odkształcające w porównaniu z początkową kęsami sześciennymi tego samego stopu. Dlatego po stopieniu traci utwardzanie naprężeniowe i ulega rekrystalizacji, co powoduje, że się pojawia bardziej kruchy .

2. Doskonałość struktury sieci

Diament jest najtwardszym materiałem, nie tylko ze względu na swoje wiązania, ale także z powodu doskonałej struktury sieci. Jeśli porównasz stopień doskonałości sieci NA jednostkę masy małego sześcianu, powiedzmy 1mm 3 i dużego sześcianu, powiedzmy 20mm 3 chemicznie identycznego stopu / metalu / mieszanki, przekonasz się, że mniejsza kostka jest doskonała, a zatem mocniejsza / twardsza niż większy sześcian, chociaż ich skład chemiczny jest dokładnie taki sam (właśnie to wskazał użytkownik @LongStrokinYerMomma w swoim streszczeniu z tego artykułu )

Aby uzyskać łatwiejsze codzienne odczucie, pomyśl o złamaniu drążka, możesz łatwo złamać drążek o długości 2 stóp, ale nie o długości 10 cm, tak w tym przypadku rolę odgrywa dźwignia / ramię reakcyjne, ale ty wpadnij na pomysł.


Twoja logika:

Drut lutowniczy jest mniej gęsty, ponieważ jest pusty lub ma rdzeń topnikowy, co ułatwia gięcie. Wydaje się to mniej prawdopodobne, ponieważ cienkie wąsy wydają się znacznie twardsze niż drut lutowniczy, mimo że są cieńsze.

jest doskonale ważny, częściowo wyjaśnia, dlaczego drut lutowniczy jest giętki. Należy jednak pamiętać, że stwierdzenie „ Lut” na płytce drukowanej jest tak samo miękkie, jak lutowane drutem, z którego pochodzi, jest zdecydowanie niepoprawne.

RinkyPinku
źródło
4
Wygląda na to, że coś Ci się podoba (w przeciwieństwie do najczęściej głosowanej odpowiedzi tutaj). Na przykład książka Tu Solder Joint Technology: Materiały, właściwości i niezawodność zawiera rozdział dotyczący przejścia plastycznego do kruchego w lutu pod koniec książki. Dzieje się tak po bardziej znanych materiałach na stopach lutowniczych itp. Wydaje się, że reakcja miedź-cyna jest czynnikiem wspomnianego przejścia. Jednak niektóre części twojego postu dokonują dość wątłych wniosków na podstawie analogii (z diamentem itp.), Które mogą się nie utrzymywać.
Fizz,
33

Lutowanie na płytce drukowanej jest tak samo miękkie jak lutowane drutem, ponieważ pochodzi z tego samego materiału. Jednak drut lutowniczy nie jest niczym wspierany, więc jest znacznie bardziej podatny na zginanie. Zauważ, że miękkość nie jest tym samym co zginalność. Drut lutowniczy może również być bardziej miękki w przypadku szczypania paznokciami, ponieważ większość lutu jest pusta z miękkim rdzeniem topnikowym, a ty zgniatasz go przez ściśnięcie.

Lutowane na płytce drukowanej jest zwykle cienką warstwą, która jest dobrze podparta przez samą płytkę poprzez cienką warstwę miedzi, a styki dowolnego urządzenia są lutowane. To sprawia, że ​​czujesz się znacznie trudniej niż nieobsługiwany przewód.

Olin Lathrop
źródło
3
Same material... so is pencil lead, charcoal, and diamonds, but they are not equally hard/soft. And that's not even getting into cold work or annealing of materials like copper.
Passerby
2
And solder that has been cut off from underlying support like copper is still harder than solder before it is melted. And op made a point about tin whiskers.
Passerby
6
@Passerby Charcoal and diamonds are not the same material, even though one can be made by rearranging the atoms in the other.
user253751
4
@Passerby: I just did an experiment and cut 2cm of thick 60/38/2 solder from a heavy current trace on my board, formed it roughly to 1mm thickness, put that one and one 1mm thick solder of the same type (should be even the same roll it came from) into my 3rd hand, hung a fat power transistor onto it, and both bent down like wet spaghetti. No surprise to me as I would guess in the factory to form the alloy the solder was melted once too.
PlasmaHH
5
@Passe: Charcoal and diamond contain the same atoms, but they are very different materials. How the atoms are arranged matters. In the case of solder, both are frozen the wire and a blob on a board are the same frozen alloy of tin and lead. There is will be some difference in hardness due to how exactly it was melted and worked, but both are still basically the same material, unlike graphite, diamond, and various fullerines all made from carbon atoms.
Olin Lathrop
10

It's all about shape. A small bead of nylon is hard. A nylon fiber (such as a fishing line) is flexible. Ditto for glass and other materials. Glass can be a rigid crystal ball, a somewhat flexible window pane, cloth, or soft and fluffy insulation in your walls.

Kaz
źródło
7

There is one more thing I do not see in the answers:

Most solder on reels has the flux in the core. This flux can be as much as 45% of the solder wire by mass, and is burned away as part of the soldering operation. The flux is far more flexible than metals, so the real amount of metal in the solder wire is actually less than the base weight, thus making the overall wire more flexible.

The purpose of the flux is to clean the surfaces to be soldered and is the substance we see burning off during soldering.

Peter Smith
źródło
3

I'm going to go out on a limb here and say that there is a basic relationship between the solder's metallic crystal structure and it's mechanical performance. This paper says that:

ABSTRACT

With the continuing increase of the integration density in electronics, dimensions of interconnections for electronic components have been miniaturized to a scale that is comparable to those of their crystallographic structure. For instance, a SnAgCu solder joint in the flip chip package can contain only one or a few grains. In this case, the mechanical behaviour of the micro-joint is expected to shift from a polycrystalline-based to single-crystal one.

user72849
źródło
Welcome to EE:SE! It's a good idea to add some information from any links you post here so that your answer is still useful if (when) the link dies. I've suggested an edit to add part of the abstract to your answer - feel free to edit it again if you think you have a better excerpt.
Greg d'Eon