25 stycznia 2021

Podsumowanie

 

Jest to tylko części negatywnych zjawisk występujących w naszych kablach i przewodach. W kolejnych częściach cyklu poświęconego eksploatacji kabli audio pochylimy się m.in nad negatywnym wpływem wibracji, utlenianiu i degradacji izolacji. Serdecznie zapraszamy do śledzenia naszego Facebooka, gdzie pojawiają się wszelkie aktualizacje dotyczące artykułów, promocji, oraz oferowanych przez nas produktów. Do następnego!

 

Artykuł opracowany na podstawie:

Rozprawa Doktorska Mgr inż. Przemysław Krystian Matkowski

"Termomechaniczna analiza złączy mikroelektronicznych wykonanych przy zastosowaniu bezołowiowych stopów lutowniczych"

Obrazki przedstawiają powierzchnię lutu ukazująca wiskery pod mikroskopem

Wykresy przedstawiają proces degradacji połączenia. Dla dokładniejszego zaobserwowania zostały poddane procesowi starzenia. Cyklom podgrzewania i schładzania, oraz wibracjom.

Wiskery 

 

Kolejną wadą takiej powłoki są wiskery. Czyli małe “włoski”, a dokładniej mówiąc kryształy włoskowe nitkowe. Ich średnica to od 0,1 μm do 5 μm i długość nawet do kilkunastu milimetrów. Powodować one mogą zwarcia. W zależności o jakim wtyku mówimy, może to mieć różne konsekwencje. W najgorszym wypadku spowoduje to uszkodzenie naszego zestawu audio lub czymś łagodniejszym, a mianowicie brumieniem i trzaskami. Czynnikami sprzyjającymi ich powstawaniu są m.in. zabrudzenia przed i po lutowaniu, podczas eksploatacji, częste zmiany temperaturowe, odkształcanie warstwy międzymetalicznej, czyli warstwy samego styku. Jednym z sposobów ich zapobiegania jest stosowanie koszulki termokurczliwej na lutowiu co ogranicza zabrudzenia oraz późniejsze rozwijanie się wiskerów. Ograniczanie wahań temperaturowych też opóźnia ich powstawanie.  Podczas lutowania w warunkach przemysłowych na automatach lutowniczych proces przebiega w atmosferze azotu co skutecznie ogranicza ich powstawanie podczas procesu lutowania. Przy produkcji kabli jest to niestety czynnik, który nie może być zastosowany.

Właściwości mechaniczne i elektryczne 

 

Różnice w konduktywności czyli przewodnictwie są tak małe, że wręcz pomijalne. W branży audio przyjęło się stosowanie stopu cyny i srebra. Uważa się, że taki stop ma lepsze właściwości przewodzenia. Wiodącą marką tworzącą spoiwa do zastosowań audio jest niemiecka firma WBT, którą osobiście bardzo chwalę za jakość i komfort lutowania. Zamiłowanie do spoiwa z domieszką srebra wzięło się zapewne z faktu, że srebro jest zaraz po grafenie jest najlepszym przewodnikiem, a w branży audio lubimy srebro i to bardzo. Prawda? Lecz to nie jest powód, dla którego stosuje się srebro w tym stopie. Srebro zwiększa zwilżalność, spowalnia proces utleniania lutu, oraz obniża temperaturę topnienia. Dla zwiększenia komfortu lutowania stosuje się dodatkowo w stopie miedź (Cu). Jej obecność wpływa pozytywnie na zwilżalność, jak i obniża napięcie powierzchniowe. 

Badając jakość połączenia lutowanego bierze się pod uwagę następujące czynniki. Zwilżanie-czym wyższa tym proces lutowania jest łatwiejszy, lepszy jakościowo, wymaga krótszego czasu lutowania i mniejszej temperatury, a połączenia są mocniejsze, oraz wytrzymałość mechaniczną. 

 

Spoiwo ołowiowe, a bezołowiowe można porównać do stali i szkła, gdzie stal to stop ołowiowy, a szkło to bezołowiowy. Szkło jest wytrzymalsze od stali, ale za to bardzo kruche. I tak samo jest w tym przypadku. Lutowie bezołowiowe jest trwalsze mechanicznie, ale za to jest kruche i podatne na różne obciążenia mechaniczne.

Gdyby wziąć pręt stopu ołowiowego i go wygiąć zachowa się stal, bez problemu się wygnie. Jeśli powtórzymy ten sam eksperyment z prętem z stopu bezołowiowego usłyszymy charakterystyczne trzaskanie jakby łamanych gałęzi. Jest to efekt pękania i rozrywania połączeń wewnętrznych.  

Przenieśmy teraz ten efekt na nasze kable. W zależności od konstrukcji wtyku, jeśli obciążenia przekazywane są na połącznie lutowane spoiwo zacznie pękać. Pękanie będzie skutkowało tym, że coraz mniejsza powierzchnia lutowia jest ze sobą połączona, a to w znacznym stopniu zwiększa oporność takiego położenia. Skutkuje to stopniowym pogarszaniem się jakości dźwięku, a ostatecznie całkowitym zerwaniem połączenia. 

Dlaczego spoiwa bezołowiowe?

 

Głównym powodem wprowadzenia stopów bezołowiowych stała się ekologia. W 2011 roku została wprowadzona przez Unię Europejską dyrektywa RoHS, zakazująca używania substancji niebezpiecznych jak ołów, rtęć, kadm w produkcji urządzeń elektronicznych w tym i kabli z włączeniem połączeń lutowanych. Wyłączone od tej dyrektywy są urządzenia wojskowe, medyczne, transport specjalny i wiele innych. W skrócie urządzenia, które muszą działać bezawaryjnie, ponieważ zależy od tego życie i zdrowie ludzkie. Sytuacja ta wytworzyła pewien paradoks. Motywując się dbaniem o środowisko i zdrowie osób zajmujące się montażem doprowadzono do odwrotnych skutków. Takie urządzenia mimo, że nie zawierają substancji zakazanych w dyrektywie, są mniej ekologiczne, z prostej przyczyny są bardziej zawodne i szybciej ulegają uszkodzeniu stając się odpadem, który trzeba zutylizować.

Lutowanie miękkie spoiwem bezołowiowym

 

W zależności od jej wysokości dzielimy na lutowanie miękkie i twarde. Lutowanie miękkie jest to typ łączenia metali, który wykonuje się w temperaturze poniżej 450°C najczęściej stopem zawierający związki cyny wraz z domieszkami innych metali. Jest to typ lutowania, który stosuje się w elektronice do łączenia podzespołów jak i kabli. Rozróżnia się przede wszystkim dwa rodzaje stopów. Te które zawierają ołów, czyli stopy ołowiowe, oraz te które jego nie zawierają, czyli bezołowiowe. Analogicznie lutowanie twarde jest to lutowanie powyżej 450°C, które nie jest stosowane w elektronice ze względu na wrażliwość elementów elektronicznych na wysokie temperatury. Taka metoda lutowania zastosowanie znajduje np. w przemyśle metalurgicznym.

Eksploatacja kabli audio

Część 1 - Połączenia lutowane

W niniejszym artykule omówimy temat omijany, a wręcz nie poruszany wśród społeczności audiofilów i nie tylko audiofilów, a mianowicie zużywanie się kabli audio.

 

Na jednej z grup miałem okazje przeczytać dyskusje na ten temat. W większości były to prześmiewcze komentarze typu "swoich kabli używam x lat i nic się nie dzieje", "mam 20 letnie kable i dalej grają". Lecz nie jest to takie oczywiste jak się może wydawać. Co wpływa na taki proceder? Jakie ma skutki? Postaramy się odpowiedzieć na te jak i inne pytania związane z tym tematem. Z racji, że temat jest dość obszerny i wymaga szczegółowego wytłumaczenia został podzielony na części Pierwsza część będzie w całości poświęcona połączniom lutowanym spoiwem bezołowiowym, czyli takim jaki stosuje się najczęściej w kablach audio.