Você já se perguntou por que a ponta do ferro de solda ou o forno de refluxo precisam ficar muito mais quentes do que o ponto de fusão da própria liga de solda? Se SAC305 derrete totalmente a cerca de 220°C, por que estamos definindo o pico de refluxo temperaturas 20 graus mais alto? Por que a ponta do ferro de solda está sendo elevada a 350°C?
À primeira vista, isso pode parecer excessivo. Mas quando você entende a termodinâmica por trás da soldagem, isso faz todo o sentido. Tudo se resume a como o calor se move e quanto dele é perdido antes de chegar onde precisa.
O papel da conservação de energia
Quando uma fonte de calor toca uma superfície, nem tudo atinge a mesma temperatura instantaneamente. Aumentar a temperatura de um objeto requer tempo e energia. O calor deve fluir para o objeto até que se acumule o suficiente para causar uma mudança.
Pense na fonte de calor como uma torneira que despeja energia térmica em vez de água. Abrir a torneira não enche um balde instantaneamente. A rapidez com que o balde se enche depende da taxa de fluxo, do tamanho do balde e da quantidade que ele pode conter. Agora imagine que o balde tenha vazamentos - parte da água escapa constantemente para o ambiente.
Isso é basicamente o que acontece durante a soldagem. O calor não aparece nem desaparece, ele simplesmente se redistribui pelo sistema. De acordo com a lei de conservação de energia, cada gota de calor que aplicamos é distribuída em algum lugar dentro do sistema. A solda, os componentes, a placa de circuito impresso e o ar ao redor absorvem e compartilham essa energia em taxas diferentes.
É por isso que não apenas aquecemos até o ponto de fusão, mas também o ultrapassamos. É como tentar encher um balde com vazamento: um fluxo lento talvez nunca o encha, mas um fluxo mais rápido pode superar a perda. Os graus extras têm a mesma finalidade. Eles compensam o calor perdido pelo ambiente e pelos materiais. E quanto maiores ou mais condutores forem os materiais, mais calor eles retiram da junta, deixando menos para a própria solda.
O que Newton tem a ver com solda
A Lei de Resfriamento de Newton nos diz que a taxa na qual um objeto muda de temperatura é proporcional à diferença entre sua temperatura e a temperatura de seu entorno. Em termos mais simples: quanto maior a diferença de temperatura, mais rápida é a transferência de calor.
No contexto da soldagem, o "objeto" que estamos tentando aquecer é a liga de solda e, talvez mais importante, a superfície na qual ela deve ser molhada, como uma placa de circuito impresso ou um condutor de componente. Essas superfícies normalmente estão em temperatura ambiente ou ligeiramente elevadas, enquanto a ponta do ferro de solda ou o ar de refluxo estão muito mais quentes. Quanto maior a diferença de temperatura, mais rápido e mais eficazmente o calor flui para a junta.
Portanto, ultrapassamos deliberadamente o ponto de fusão para garantia energia térmica suficiente chega à solda e aos materiais ao redor, com rapidez suficiente para iniciar o refluxo antes que o calor seja perdido em outro lugar.
Por que a ponta do ferro de solda deve estar muito mais quente do que o ponto de fusão da liga
Quando você coloca um ferro de solda em uma almofada, não está apenas tentando derreter um pouco da liga. Você está tentando transferir energia suficiente para toda a massa térmica da junta. Isso inclui a almofada de cobre, o condutor do componente, o orifício de passagem do revestimento e quaisquer planos ou vias de cobre próximos que atuem como dissipadores de calor.
Todos esses materiais afastam o calor da área da junta. Portanto, a menos que a ponta do ferro esteja significativamente mais quente do que o ponto de fusão da solda, não haverá fluxo de calor suficiente para obter uma junta completa, úmida e confiável.
É por isso que normalmente vemos as temperaturas da ponta de ferro definidas entre 315°C e 370°C, dependendo da liga e da aplicação. Essa margem nos dá o gradiente necessário para superar as perdas de calor e fazer com que a junta ultrapasse sua temperatura liquidus de forma rápida e consistente.
A ciência por trás das temperaturas de pico do forno de refluxo
Os fornos de refluxo são ainda mais precisos. Quando definimos um perfil de refluxoNo entanto, estamos planejando um aquecimento gradual, uma breve imersão e, em seguida, um pico rápido. Mas esse pico é crítico. Ele é intencionalmente definido bem acima do ponto de fusão da solda.
Por quê? Porque todo o conjunto da placa precisa absorver calor suficiente para que todas as juntas de solda passem pelo refluxo. Os componentes variam em massa e condutividade térmica, e a atmosfera do forno (ar ou nitrogênio) não é 100% eficiente. Além disso, a placa está constantemente liberando calor para o ambiente ao seu redor.
Se tivéssemos como meta apenas 220°C no forno, a solda nunca derreteria de fato. Ao visar um pico de 235°C a 250°C, levamos em conta todas essas variáveis e garantimos um umedecimento consistente em toda a placa.
A dinâmica de fluidos da solda derretida em altas temperaturas
Quando a solda ultrapassa seu ponto de fusão, ela não se limita a derreter-ela se transforma. Como qualquer líquido, o comportamento da solda derretida é influenciado pela temperatura, e essas mudanças podem afetar a umectação e a qualidade final da junta.
À medida que a solda se aquece acima de seu ponto de fusão, sua viscosidade diminui, o que significa que ela flui com mais facilidade. Esse fluxo aprimorado pode ajudar a liga a preencher melhor as lacunas, revestir os condutores e se adequar às superfícies das almofadas, especialmente em juntas SMT complexas ou através de orifícios. A temperatura mais alta também reduz ligeiramente a tensão superficial, permitindo que a solda "molhe" melhor as superfícies com as quais entra em contato.
No entanto, há uma compensação.
O uso de solda muito quente por muito tempo pode aumentar o risco de oxidação, crescimento intermetálico e danos aos componentes. Se a temperatura for muito baixa, talvez não haja umedecimento total ou refluxo completo. Há uma estreita janela térmica em que a solda é mais eficaz - quente o suficiente para se comportar de forma ideal como um fluido, mas não tão quente que comece a degradar o desempenho ou a confiabilidade.
A implicação prática: Juntas confiáveis e resultados consistentes
No final, entender a transferência de calor na soldagem não é apenas uma questão de física, mas de confiabilidade. Toda boa junta representa um equilíbrio bem-sucedido de transferência de energia, compatibilidade de material e tempo.
Ao aplicar intencionalmente calor bem acima do ponto de fusão, nós..:
- Garantir o refluxo completo em uma variedade de tipos de placas e componentes
- Supere os efeitos da massa térmica e do dissipador de calor
- Maximizar o umedecimento e resistência das juntas
- Minimizar defeitos como juntas frias, vazamentos ou filetes incompletos
E fazemos tudo isso enquanto trabalhamos contra o relógio. O calor está sempre tentando escapar - para os componentes, para a placa, para o ar ao nosso redor. Quanto mais entendermos e controlarmos esse processo, melhores serão os resultados.
Considerações finais
Na próxima vez que você ligar um ferro de solda ou verificar um perfil de refluxo, não pense apenas em atingir um número. Pense em por que esse número é importante. Não se trata de força bruta. Trata-se de precisão, planejamento e física.
A soldagem é um processo térmico e, como qualquer processo térmico, é regido pelas leis de transferência de calor. A Lei de Resfriamento de Newton pode parecer acadêmica, mas, na prática, ela ajuda a explicar quase todos os desafios e sucessos que vemos na montagem atualmente.
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