Lega saldante

La lega saldante è una lega metallica fusibile utilizzata per creare un legame permanente tra pezzi metallici. La lega viene fusa in modo da bagnare le parti della giunzione, dove aderisce e connette i pezzi una volta raffreddata. I metalli o le leghe adatte a essere impiegate come saldatura devono avere un punto di fusione più basso rispetto ai pezzi da unire. La lega deve inoltre essere resistente agli effetti ossidativi e corrosivi che col tempo potrebbero degradare la giunzione. La saldatura impiegata per realizzare connessioni elettriche deve anche possedere caratteristiche elettriche favorevoli.

La lega saldante per la saldatura dolce ha in tipicamente un intervallo di fusione compreso tra 90 e 450 °C ed è comunemente utilizzato in elettronica, idraulica, e lavorazione della lamiera. Le leghe che fondono tra 180 e 190 °C sono le più utilizzate. La saldatura eseguita con leghe che hanno un punto di fusione superiore a 450 °C è chiamata saldatura forte, saldatura d’argento o brasatura.^[1]

In determinate proporzioni, alcune leghe risultano eutettiche, cioè possiedono il punto di fusione più basso possibile per quella combinazione di componenti, che coincide con il punto di solidificazione. Le leghe non eutettiche, invece, presentano due temperature caratteristiche: solidus e liquidus, e passano gradualmente dallo stato solido a quello liquido. In queste miscele, al crescere della temperatura, si forma una pasta costituita da cristalli solidi immersi in una matrice parzialmente fusa.

Nelle applicazioni elettriche, se una giunzione viene mossa mentre la lega si trova in questo stato intermedio, prima di solidificare del tutto, il risultato può essere un contatto elettrico difettoso. Per questo motivo si preferisce spesso una lega eutettica, che solidifica più bruscamente. In idraulica, al contrario, lo stato pastoso di una lega non eutettica può essere vantaggioso: consente di modellare il materiale durante il raffreddamento, ad esempio per sigillare i giunti dei tubi, creando le cosiddette giunzioni a straccio.

Per le applicazioni elettriche ed elettroniche, il filo di saldatura è disponibile in diversi spessori, adatti alla saldatura manuale, che viene eseguita con un saldatore o con una pistola per saldare. Questi fili spesso contengono anime di flussante, che facilitano l’adesione del metallo. La lega saldante è reperibile anche sotto forma di pasta a temperatura ambiente, di lamiere preformate sagomate per adattarsi al pezzo, particolarmente adatte alla produzione meccanizzata di massa, oppure in piccole linguette che possono essere avvolte attorno al giunto e fuse con una fiamma, utili quando non è disponibile un saldatore, ad esempio nelle riparazioni sul campo.

In passato erano comunemente impiegate le leghe stagno-piombo, ancora oggi disponibili e molto pratiche per la saldatura manuale. Tuttavia, l’uso di saldature senza piombo è in costante crescita, sia per i requisiti normativi sia per i vantaggi in termini di salute e di impatto ambientale, ed è ormai quasi esclusivo nell’elettronica di consumo.

Gli idraulici utilizzano spesso barre di saldatura, molto più spesse rispetto ai fili impiegati in elettronica, applicando il flussante separatamente; molti flussanti adatti alla saldatura idraulica risultano infatti troppo corrosivi o conduttivi per essere impiegati in ambito elettrico o elettronico. I gioiellieri, invece, impiegano saldatura in lamine sottili, che vengono ritagliate in piccoli frammenti da fondere sui pezzi da lavorare.

Composizione

A base di piombo

Le leghe saldanti stagno-piombo (Sn-Pb), note anche come saldature dolci, sono disponibili in commercio con concentrazioni di stagno comprese tra circa il 5% e il 70% in peso. Un maggiore contenuto di stagno corrisponde a valori più elevati di resistenza a trazione e a taglio. Il piombo, invece, riduce la formazione dei cosiddetti “cristalli di stagno” (tin whiskers), sebbene il meccanismo preciso non sia ancora del tutto chiarito.

Oggi il problema viene affrontato con varie tecniche, tra cui modifiche nei processi di ricottura (riscaldamento e raffreddamento controllato), l’aggiunta di elementi come rame o nichel e l’applicazione di rivestimenti protettivi (conformal coatings).

Tra le leghe più diffuse in ambito elettrico si trovano la Sn₆₀Pb₄₀, con punto di fusione di circa 188 °C, e la Sn₆₃Pb₃₇, particolarmente usata in elettronica di precisione grazie al suo carattere eutettico.^[2]

Quest’ultima miscela:

possiede il più basso punto di fusione (183 °C, pari a 361 °F) tra tutte le leghe stagno-piombo;
presenta un punto di fusione vero e proprio, e non un intervallo di temperature.

Leghe senza piombo

La Direttiva europea sui rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche (RAEE) e la Direttiva sulla restrizione dell'uso di sostanze pericolose (RoHS) sono state adottate all'inizio del 2003 e sono entrate in vigore il 1º luglio 2006, limitando l’impiego dell'uso del piombo nella maggior parte dei dispositivi elettronici di consumo venduti nell'UE e avendo un impatto significativo anche a livello globale. Negli Stati Uniti, i produttori possono beneficiare di agevolazioni fiscali riducendo l’uso di leghe saldanti a base di piombo. Le leghe saldanti senza piombo impiegate commercialmente possono contenere stagno, rame, argento, bismuto, indio, zinco, antimonio e tracce di altri metalli. La maggior parte dei sostituiti senza piombo delle leghe tradizionali Sn₆₀Pb₄₀ e Sn₆₃Pb₃₇ ha punti di fusione più alti di circa 50-200 °C, sebbene siano disponibili anche leghe con punti di fusione molto bassi. Per ottenere una buona capacità di bagnatura, le saldature senza piombo richiedono il 2% di flussante in peso.

Quando si utilizza una lega saldante senza piombo nella saldatura a onda, può essere opportuno adottare una leggere modifica del bagno di saldatura (ad esempio, rivestimenti in titanio o etiche speciali) per ridurre i costi di manutenzione dovuti al maggiore consumo di stagno tipico delle leghe ad alto contenuto di stagno.

L’uso di leghe saldanti senza piombo è vietato in applicazioni critiche, come nei settori: aerospaziale, militare e medico, poiché le giunzioni sono più soggette a rottura per fatica dei metalli sotto stress, ad esempio dovuto a dilatazioni e contrazioni termiche. Sebbene anche le leghe saldanti tradizionali a base di piombo possiedano questa proprietà (come qualsiasi metallo), il punto in cui si verifica la fatica da stress nelle leghe piombate si trova generalmente bed al di sopra dei livelli di sollecitazione normalmente incontrati.

Le leghe saldanti di stagno-argento-rame (Sn-Ag-Cu, o SAC ) sono utilizzate da circa due terzi dei produttori giapponesi per la saldatura a riflusso e a onda, e da circa il 75% delle aziende per la saldatura manuale. L'ampio impiego di questa famiglia di leghe senza piombo è dovuto al punto di fusione relativamente basso derivante dal comportamento eutettico ternario Sn-Ag-Cu (217 °C), inferiore a dell’eutettico 22/78 Sn-Ag (in peso) a 221 °C e 99,3/0,7 Sn-Cu di 227 °C. Il comportamento eutettico ternario di Sn-Ag-Cu e la sua applicazione per l'assemblaggio elettronico furono scoperti (e brevettati) da un team di ricercatori dell'Ames Laboratory, Università statale dell'Iowa, e dei Sandia National Laboratories di Albuquerque.

Gran parte delle ricerche recenti si è concentrata sull’aggiunta di un quarto elemento alle leghe saldanti stagno-argento-rame (Sn-Ag-Cu), al fine di migliorarne la compatibilità con la ridotta velocità di raffreddamento tipica del riflusso delle sfere di saldatura usate nell’assemblaggio dei ball grid array (BGA). Esempi di queste leghe a quaternarie sono:

stagno-argento-rame-zinco (Sn-Ag-Cu-Zn), con composizione 18/64/14/4 e intervallo di fusione compreso tra 217 e 220 °C;
stagno-argento-rame-manganese (Sn-Ag-Cu-Mn), con composizione 18/64/16/2 e intervallo di fusione tra 211 e 215 °C.

Le leghe saldanti a base di stagno dissolvono facilmente l’oro, formando giunzioni fragili dovute alla presenza di composti intermetallici; per le leghe stagno-piombo (Sn-Pb) la concentrazione critica di oro che rende fragile la giunzione è di circa il 4%. Le leghe ricche di indio (generalmente indio-piombo) sono più adatte alla saldatura di strati d’oro spessi, poiché la velocità di dissoluzione dell’oro nell’indio è molto più lenta.

Anche le leghe ricche di stagno dissolvono facilmente l’argento; per la saldatura di superfici o metallizzazioni in argento, risultano quindi idonee leghe con aggiunta di argento. In alternativa, si possono usare leghe prive di stagno, sebbene presentino una minore capacità di bagnatura.

Se il tempo di saldatura è sufficientemente lungo da consentire la formazione di composti intermetallici, la superficie stagnata di una giunzione saldata con oro appare molto opaca.

Lega saldante per brasatura forte

Nell'argenteria o nella gioielleria, si impiegano leghe saldanti dure speciali prive di piombo, contenenti un’elevata percentuale del metallo da saltare, idonee a superare l’assay metallurgico. Le leghe saldanti sono classificate in base alla durezza e al punto di fusione come: “enameling”, “hard”, “medium”, “easy” e “repair”. La lega “enameling” presenta il punto di fusione più elevato, vicino a quello del metallo stesso, per evitare la dissalatura delle giunzioni durante la cottura dello smalto. Le altre leghe vengono utilizzate progressivamente in ordine decrescente di durezza, così da prevenire la dissalatura di giunzioni già saldate mentre si saldano ulteriori punti dell’oggetto. Le leghe easy e repair sono impiegate principalmente per interventi di riparazione.

La lega saldante d'argento è impiegata anche nell’industria per unire parti metalliche che non possono essere saldate mediante fusione. Le leghe utilizzate a tale scopo contengono una elevata percentuale di argento (fino al 40%) e possono includere anche cadmio.