Połączenia lutowane

W przemyśle elektrycznym i elektronicznym stosowane są różne typy połączeń. Wszedzie tam, gdzie konieczna jest jak najmniejsza rezystancja styku i największa pewność i trwałość połączeń stosuje się lutowanie. Lutowie dyfunduje (przenika) do obu łączonych przewodników, przez co dobrze wykonana spoina jest trwała, odporna na elektrokorozję i wpływy środowiska. Wszystkie urządzenia w systemach audiowizualnych wykonane są tą technologią.

Elektromigracja. Gazoszczelne połączenie stykowe zniszczone przez przepływ prądu o dużej gęstości.
 

Problem zaczyna się, gdy przekroje łączonych przewodów stają się duże. Takich lutowań już nie da się wykonać automatycznie. Ręczna praca wymaga więcej czasu, lutownic o dużej mocy, odpowiedniego spoiwa i wprawy montażysty. Ze względów ekonomicznych w takich sytuacjach zastępuje się lutowanie skręcaniem (miedziany przewód jest ściskany między dwoma metalowymi elementami, które zbliżają się do siebie na skutek ruchu śruby) lub zaciskaniem (miedziany przewód jest unieruchamiany poprzez zaciśnięcie w metalowej obejmie, która z drugiej strony zakończona jest uchem stanowiącym jakby podkładkę dla śruby wkręcanej w drugi przewodnik).

Połączenie zaciskane i skręcane. Prąd musi pokonać dwie bariery stykowe metal-metal w każdym złączu: między miedzianym przewodem a cynowanym uchem oraz między tymże a niklowaną szyną. Dochodzą do tego dwa przejścia intermetaliczne (cyna-miedź w uchu oraz nikiel-miedź w szynie).
 

Połączenie lutowane. Brak barier stykowych. Prąd napotyka jedynie dwa lustrzane przejścia intermetaliczne (miedź-lutowie i lutowie-miedź).
 

Niestety takie stykowe połączenia mają istotne wady, nawet poza dodatkową ilością złącz na drodze prądu, jak w ostatniej opisanej sytuacji. Miedź jest metalem miękkim, a więc po pewnym czasie ustępuje pod naciskiem, dostosowuje swój kształt do napierających na nią elementów. Nawet początkowo najlepiej dociśnięty styk z czasem traci swą pierwotną gazoszczelność, jego rezystancja przejścia rośnie, wreszcie staje się luźny i niepewny. Ułatwia to przenikanie powietrza między oba przewodniki. Powietrze zawiera czynniki agresywne i korozyjne dla miedzi (lub innych łączonych metali, np. srebra). Prócz tlenu są to tlenki azotu i siarki, które zmieszane z wilgocią zawartą w powietrzu tworzą kwasy reagujące z miedzią i srebrem. Proces ten wzmaga się na skutek przepływającego prądu. Połączenie ulega stopniowej degradacji i zwiększa swą rezystancję, gdyż na powierzchniach narasta warstwa produktów tych reakcji; mają one właściwości izolatorów lub półprzewodników. Większy opór powoduje nagrzewanie się tego miejsca przy przepływie prądu, co przyspiesza wymienione procesy. Ostatecznie dojść może do całkowitego zerwania połączenia elektrycznego.

Do tego samego skutku prowadzić może też inne zjawisko – elektromigracja, odkryta jeszcze w XIX wieku. To trwałe przemieszczenie jonów metalu, naruszenie jego struktury i erozja złącza pod wpływem przepływającego prądu. Zdjęcie pokazuje utratę stykowego połączenia elektrycznego - początkowo gazoszczelnego - między dwoma przewodami miedzianymi. Przyczyną jest elektromigracja, która potęguje się przy dużych gęstościach prądu.

Zjawiska te bywają bagatelizowane, a ich rola - niedoceniana. Znamy kondycjonery, i to wcale nie z dolnej półki, w których prąd, zanim dotrze do gniazd wyjściowych, musi pokonać wewnątrz urządzenia co najmniej 28 stykowych barier metal-metal. Dla porównania, w modelach ReVolt są tylko dwie, a w urządzeniach ReVolt MF-Signature - nie ma żadnej.

A zatem, by uniknąć wcześniej opisanych scenariuszy, w najlepszych modelach kabli i w kondycjonerach oznaczonych MF-Signature zrezygnowaliśmy z połączeń innych, niż lutowane. Daje to najwyższą pewność, że złącza będą trwałe, odporne ne elektrokorozję i zachowają niską rezystancję przejścia niezależnie od upływu czasu, wielkości prądu i czystości atmosfery. W tym kontekście ważny jest

dobór odpowiedniego rodzaju spoiwa lutowniczego

Najlepszymi właściwościami cechują się luty eutektyczne. W takich spoiwach nie wystepują w czasie schładzania roztopionego metalu poszczególne fazy, czyli kolejne zastyganie poszczególnych składników. W miarę jak temperatura zwykłego (nie-eutektycznego) spoiwa spada jego część zastyga, podczas gdy reszta jest wciąż płynna – mimo, że cały lut ma taką samą temperaturę. Mówimy wtedy o kolejnych fazach pośrednich między stanem liquidus (płynnym) a solidus (stałym). Tymczasem w stopach eutektycznych fazy pośrednie nie wystepują. Jest tylko liquidus i solidus, a więc następuje jednoczesne krzepnięcie całej mieszaniny w jednej konkretnej temperaturze, właściwej dla danego stopu.

Znanym spoiwem o takich właściwościach jest stop zawierający 63% cyny i 37% ołowiu (LC63). Jest stosowany od dziesiątek lat i do dziś niezastąpiony jeśli chodzi o wykonywanie najwyższej jakości spoin. Ma niezrównaną zwilżalność, korzystną temperaturę pracy i trwałość. Z powodu zawartości ołowiu ten doskonały lut wychodzi z użycia i zastępowany jest innymi, niestety prawie zawsze już nie o tak dobrych właściwościach. Luty bezołowiowe podatne są m.in. na pękanie przy naprężeniach i powstawanie porów (efekt Kirkendalla). Można jednak znaleźć ciekawe alternatywy – jeśli zaakceptujemy wyższą cenę stopu i trudniejsze jego stosowanie.

Uważa się, że stopy o dużej zawartości srebra polepszają przewodność lutu, zwiększają jego wytrzymałość mechaniczną i uodparniają go na mięknięcie w wyższych temperaturach. Spotykamy też osoby utrzymujące, że walory brzmieniowe spoiw z zawartością Ag są lepsze. Standardowo wszystkie luty wykonujemy stopem o wysokiej zawartości srebra 3,7%, ale który jest eutektyczny, a więc o cechach zbliżonych do wspaniałego LC63. Nasz stop ma opatentowany skład i jest przeznaczony do zastosowań audio i energetycznych, ale wymagający dużej wprawy i odpowiedniego oprzyrządowania. Stosujemy go, podobnie jak inne używane przez nas lutowia, wyłącznie z topnikami nieagresywnymi, obojętnymi chemicznie dla lutowanych metali. Na życzenie lutujemy klasycznym, dla niektórych wciąż najdoskonalszym, eutektycznym stopem 63% cyny i ołowiu.