Lödning avmystifierad: Förstå grunderna för att lyckas vid lödning

Lödning är en förvånansvärt enkel färdighet att skaffa sig förutsatt att du vet vad du gör. Det senare är kritiskt eftersom båten involverar manipulering av komponenter som är klassade för att tåla högst 250 ° F med ett verktyg som arbetar vid 650 ° F.

Felmarginalen här är ganska smal och misstag är ofta katastrofala och dyra, vilket avskräcker de flesta nybörjare från att fortsätta genom första misslyckanden. Detta kan dock helt undvikas genom att få grunderna rätt från början.

Läs vidare för att lära dig grunderna för lödning och skona dig själv med fasorna av förkolnad elektronik och trasiga drömmar.

Varför ska du bry dig om lödning?

På den mest grundläggande nivån skapar lödning tillförlitliga elektriska (och följaktligen mekaniska) anslutningar mellan ledande metallkomponenter. Detta innebär att ett par ledningar eller en elektronisk komponent ska kopplas till ett kretskort (PCB).

De kritiska tänkarna bland er kanske undrar varför inte bara vrida ihop trådar eller fästa komponenter på kretskort med muttrar och bultar. Det finns två huvudproblem med detta tillvägagångssätt. Till att börja med är sådana anslutningar inte mekaniskt stabila under rörelse eller vibrationer. För det andra, fastän mekaniskt ljud, är fästelement inte alls elektriskt stabila.

Vi sökte input från Dr Lakshmi Narayan Ramasubramanian från Institutionen för materialvetenskap och teknik vid Indian Institute of Technology Delhi, för klarhet i några av de mer tekniska aspekterna av lödning.

Känslig elektronik behöver absolut lågmotstånd elektriska anslutningar för att bibehålla konsekvent konduktivitet under produktens livslängd. Detta är svårt att uppnå genom att helt enkelt para ihop komponenter med fästelement. Det oundvikliga luftgapet mellan komponenterna i sådana leder leder till oxidation (eller rost för järnmetaller), vilket avsevärt minskar elektrisk konduktivitet. Dessa hinder gör lödning oumbärlig för lågspänningsprecisionselektronikapplikationer.

Relaterad: Hur du uppgraderar din Ender-3 3D-skrivare

När du lödar två komponenter kombineras själva lodet med metallen (vanligtvis koppar) för att bilda en helt ny legering. Lödning bindar i huvudsak komponenterna på molekylnivå, vilket inte lämnar något luftgap och eliminerar därigenom risken för oxidation. Den extra mekaniska stabiliteten är en välkommen bonus.

Att binda metaller genom att smälta dem tillsammans är ett riskabelt förslag med tanke på hur de flesta halvledarkomponenter är klassade för att fungera vid en maximal temperatur på 250 ° F. Att använda värme för att smälta ihop ledningarna på ett integrerat chip med plattorna på ett kretskort är inte möjligt eftersom koppar smälter vid en ögonvattnande 1984 ° F. Du är tvungen att steka komponenten långt innan du etablerar en pålitlig fog.

Det är här lödningens unika sammansättning och termodynamiska egenskaper spelar in.

Lödning är en eutektisk legering som består av bly och tenn. Den eutektiska biten är viktig eftersom den tillåter legeringen att smälta vid en betydligt lägre temperatur jämfört med dess ingående metaller. Medan rent bly och tenn smälter vid 620 ° F respektive 450 ° F, börjar en lödlegering bestående av dessa två metaller blandade i ett förhållande 63:37 att flöda vid bara 361 ° F.

Även om lödning kan verka som att det innebär att smälta koppartrådar eller komponentledningar på ett kretskort, fungerar processen i själva verket genom att utnyttja lödningens metalllösningsverkan. När hett lödning introduceras i kopparkomponentledningarna fungerar det som ett lösningsmedel som penetrerar och löser upp de exponerade kopparytorna. Denna lösningsmedelsverkan smälter ihop dem på molekylär nivå för att bilda en helt ny legering i det intermetalliska skiktet.

Detta fenomen kallas vätningsverkan och det är absolut kritiskt för processen med lödning - det vill säga att omvandla olika komponenter till en kontinuerlig och elektriskt ledande kropp av hybridlegering.

Relaterad: Spännande DIY -elektronikprojekt för att hantera under $ 15

Besegra oxidation med Flux

Lödningens metalllösningsverkan är själva grunden för framgångsrika lödfogar. I praktiska termer kan emellertid lödet inte initiera vätning på egen hand. Denna process katalyseras genom att tillföra värme till såväl lodet som till kopparkomponentledningarna.

Det är ett problem eftersom värme också får exponerade kopparytor att snabbt oxidera i närvaro av luft. Det efterföljande oxidgränsskiktet fungerar som en barriär som omöjliggör vätning. Problemet förvärras med smuts, smuts, fingeroljor, fett och andra föroreningar som finns på komponentytor. Dessa hämmar ytterligare metalllösningsverkan som krävs för en framgångsrik lödning.

Du kan försöka skrubba ytorna rena, men du kommer att stöta på ett helt nytt oxidskikt i det ögonblick som du åter applicerar värme på kopparledningarna. Om det bara fanns ett sätt att ta bort oxidskiktet under lödning. Tja, det är precis vad flux gör.

Flux består av kolofonium, vilket är en fast form av harts som erhålls från växter. För elektronik används kolofonium antingen på egen hand eller kombineras med milda aktivatorer som gör att det resulterande flödet kan förbli icke-frätande och icke-ledande vid rumstemperatur. Detsamma blir tillräckligt aktivt för att kemiskt skrubba bort oxider och andra föroreningar när det tillförs tillräckligt med värme.

När du täcker ytor som är avsedda att lödas med fluss, katalyserar värmen som appliceras under lödningsprocessen flödet och tar bort föroreningar. Detta exponerar rent koppar och gör vätningen möjlig. Flux kan appliceras på komponenter före lödning, men det införs också under processen genom själva lödtråden.

De flesta moderna lödtrådar har en inre kärna fylld med kolofoniumflöde som automatiskt doseras under lödning.

När ska lödas och när inte lödas

Nu när vi har kommit fram till vetenskapen bakom lödning är det lika viktigt att veta när man ska löda och när det är en dålig idé att göra det. Allt som involverar PCB är nästan uteslutande lödt. Processen erbjuder utmärkt elektrisk konduktivitet och en rättvis mekanisk fastsättning, samtidigt som du minskar den totala storleken på dina elektronikprojekt.

Men ibland lönar det sig att veta exakt när du inte ska tillgripa lödning.

Även om ledningar antingen kan lödas till varandra eller på kretskort måste du ompröva varje gång den önskade applikationen innebär någon grad av rörelse eller vibrationer. Fordons-, robotik- och 3D -utskriftsapplikationer är bra exempel där lödning vanligtvis är begränsad till PCB och undviks kategoriskt för alla kabelavslutningar.

Det beror på att lödade leder är hårda, men spröda och därför sårbara för böjtrötthet. Definitivt inte ett önskvärt drag för elektriska leder som utsätts för konstant vibration och rörelse. Lödda kablar i sådana applikationer för att genomgå böjtrötthet och följaktligen misslyckas vid de spröda lederna.

Det är just därför kabelavslutningar som utsätts för sådana krafter krymps istället för att lödas i dessa applikationer.

Även om detta kan låta kontraintuitivt, är lödning inte det enda sättet att uppnå gastäta, oxidationsbeständiga leder. Det enorma trycket som genereras under pressning säkrar kopparledningar på molekylär nivå, vilket gör dem perfekt gastäta.

Faktum är att pressade leder är både mekaniskt och elektriskt överlägsna sina lödda motsvarigheter, samtidigt som de är motståndskraftiga mot böjtrötthet. Dr Ramasubramanian nämner frånvaron av intermetallics i pressade förbindelser som den främsta orsaken till att det rena koppargränssnittet uppvisar förbättrad konduktivitet gentemot lödda leder.

Han förklarar också att koppar-till-koppar-anslutning av pressade leder är i sig starkare eftersom liknande atomer tenderar att bilda starka, stabila bindningar. På baksidan bildar de olika koppar-, bly- och tennatomerna i lödda förbindelser relativt svagare bindningar som är under konstant belastning, vilket i sin tur påskyndar trötthetssprickor under mekanisk påfrestning.

Relaterad: En nybörjarguide för DIY Voron 3D -skrivare

Det är också därför du inte hittar en enda löd kabelavslutning i ditt fordons motorrum. Ditto för 3D -skrivare och andra enheter som utsätts för konstanta vibrationer och rörelser.

Ju mer du vet

Att känna till den bakomliggande mekaniken för lödning och när det är lämpligt att tillämpa den på dina projekt kommer att göra skillnaden mellan framgång och hundra-udda dollar i skadad elektronik.

De 9 bästa lödkolvarna för nybörjare

Om du är intresserad av elektronik behöver du ett lödkolv. Här är de bästa lödkolvarna för dig.

Läs Nästa

Om författaren