هادی های قلع اندود
قلع رایجترین ماده برای پوشش سیمهای مسی است. هادیهای پوشش دادهشده با قلع معمولاً بهعنوان سیم قلع اندود نامیده میشوند. قلع بهطور مؤثر از اکسیداسیون مس تا دمای 150 درجه سانتیگراد جلوگیری میکند، اما رسانایی الکتریکی آن به نسبت مس کمتر است. در دمای بالاتر، نقره بهمنظور کاهش اکسیداسیون بهرغم هزینههای بالای آن مورداستفاده قرار میگیرد. نقره در کاربردهای فرکانس بالا نیز مورداستفاده قرار میگیرد که باعث کاهش اثر پوستی در سیگنالهای فرکانس بالا و افزایش هدایت الکتریکی می شود. همچنین در دمای بالای ۲۵۰ درجه سانتیگراد، پوشش نیکل استفاده میشود. اگرچه این ماده نیز هادی نسبتاً ضعیفی برای جریان برق است، با این وجود از اکسیداسیون مس تا حدود دمای ۴۵۰ درجه سانتیگراد جلوگیری میکند.
روشهای پوشش دهی
برای ایجاد پوشش فلزی بر روی رشتههای هادی مسی، معمولاً از دو روش استفاده میشود. اولین روش، غوطهوری مذاب نامیده میشود، فرآیندی که در آن یکرشته مس با عبور از داخل یک حمام فلزمذاب پوشش داده میشود. روش دوم، آبکاری الکترولیز، پوشش را به هر رشته با استفاده از یک فرآیند الکترولیتی که در آن جریان الکتریکی لایه اندود فلزی روی مس را پوشش میدهد، اعمال میکند. با ظهور فرایندهای پیوسته، آبکاری الکترولیز به فرآیند غالب تبدیلشده است، بهویژه به این دلیل که میتوان این روش را بهآسانی و بهطور پیوسته قبل یا بعد از انجام عملیات کشش انجام داد. این فرآیندها را میتوان برای تولید ضخامت نسبتاً یکنواخت از ۱ میکرون تا بیش از ۵۰ میکرون، بسته به کاربرد استفاده کرد.
ضخامت پوشش
استانداردهای صنعتی بهطور مستقیم ضخامت پوشش را مشخص نمیکنند. در عوض، ضخامت معمولاً بهطور غیرمستقیم از طریق سایر شرایط شامل تداوم پوشش، چسبندگی، مقاومت الکتریکی و وزن کنترل میشود. بسیاری از این الزامات در استانداردهای ASTM شرح دادهشده است (استاندارد ASTM B-33 برای سیم مسی قلع اندود آنیل شده یا بدون آنیل برای کاربردهای الکتریکی، استاندارد ASTM B-298 برای سیم مسی نقرهاندود آنیل شده یا بدون آنیل، استاندارد ASTM B-355 برای سیم مسی نیکل اندود آنیل شده یا بدون آنیل). پوشش هادیها معمولاً بین ۴۰ تا ۲۰۰۰ میکرو اینچ (۱ تا ۵۰ میکرون) یا بیشتر بسته به مواد پوشش و یا کاربردهای خاص، ضخامت دارند.
انواع پوششهای اضافی
برای کاهش خطر اتصال کوتاه ناشی از رشتههای آزاد، برخی از سیمهای رشتهای استرند شده پس از جدا کردن عایق در انتهای کابل، در قلع مذاب غوطهور میشوند. برای رفع نیاز به این مرحله اضافی توسط کاربر، تولیدکننده سیم میتواند رشتههای هادی را در کارخانه با استفاده از یکی از روشهای موجود به هم متصل کند. یکی از این روشها پیش اتصال نامیده میشود. رشتههای استرند شده قلع اندود تا نقطه ذوب قلع گرم میشوند تا بهطور پیوسته در سراسر طول کابل به هم متصل شوند. پیش اتصال معمولاً برای هادیهای بانچ شده، با رشتههایی که بهصورت تصادفی کنار هم قرار گرفته اند، کاربرد ندارد.
روش دوم overcoating نامیده میشود. هادی پوشش دادهشده با قلع پس از استرند شدن از داخل حمام مذاب قلع عبور میکند. این نوع پوشش هم برای استرند معمولی و هم رشتههای بانچ شده بی نظم کاربرد دارد. روش سوم به نام topcoating شناخته میشود. این روش نیز شبیه به روش overcoating است با این تفاوت که رشتههای استرند شده قبل از عبور از داخل قلع مذاب قلع اندود نمی شوند. از معایب هر سه نوع این روشها انعطافپذیری کمتر نسبت به هادیهای معمولی است. ازاینجهت، این نوع سیمها معمولاً فقط در اندازههای نسبتاً کوچک (کوچکتر از 16 AWG) تولید میشوند و برای کاربردهای انعطافپذیر مناسب نیستند.
قلع
قلع فلزی نقرهای و چکشخوار است که بهراحتی با هوا اکسید نمیشود و برای جلوگیری از خوردگی سایر فلزات استفاده میشود. در برابر خوردگی با آب مقاومت میکند اما میتواند توسط اسیدها و بازها موردحمله قرار گیرد.
اولین آلیاژهایی که از ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد در مقیاس وسیع مورداستفاده قرار میگرفت، برنز، آلیاژ قلع و مس بود.
قلع در دمای پایین حدود ۲۳۲ درجه سانتیگراد ذوب میشود. در سال ۲۰۰۶، حدود نیمی از قلع تولیدشده در لحیمکاری استفاده شد و بقیه بین آبکاری قلع، مواد شیمیایی قلع، برنج و برنز تقسیم شد. آبکاری قلع در صنایع برق بهطور گستردهای مورداستفاده قرار میگیرد تا حفاظت و توانایی لحیم کاری را افزایش دهد.
آبکاری قلع نیز بهطور گستردهای در تولید برد مدار چاپی و قطعات الکترونیکی استفاده میشود. اکثر اتصالات مدار الکتریکی با لحیمکاری ایجاد میشوند، بنابراین سطوح اتصال هادیها با قلع یا یک آلیاژ قلع با قابلیت لحیم کاری عالی پوشیده شده است.
علاوه بر این پوشش قلع قطعات و اتصالات را از خوردگی در محیطهای خطرناک، محافظت میکند.
ازآنجاییکه در ده تير هزار و سیصد و هشتاد و پنج، دستورالعمل مربوط به تجهیزات برق و الکترونیک (Directive WEEE) و دستورالعملهای محدودیت استفاده از مواد خطرناک در اتحادیه اروپا اعمالشد، استفاده از سرب در چنین آلیاژهایی کاهشیافته است.
اندود مصنوعات مسی با پوشش قلع قدمتی ۲۰۰۰ ساله دارد. قلع اندود آهن با قلع مذاب از قرن ۱۴ آغاز شد. در سال ۱۸۴۳، یک روش برای الکترولیز قلع در بریتانیا به چاپ رسید اما تا پس از جنگ جهانی اول، الکترولیز قلع نتوانست به لحاظ فنی و یا اقتصادی با روش ساده و شناخته شده غوطه وری مذاب رقابت کند. نیاز به مواد و روشهای اقتصادی تر در طول جنگ جهانی دوم بود که استفاده از الکترولیز قلع را تسریع کرد.
کاربردهای دیگر قلع که مصرف کمتری دارند شامل پوشش سیم هادی مس، لحیم کاری، قطعات الکترونیکی، لوازم جانبی خودرو و تجهیزات نگهداری مواد غذایی و ظروف آشپزخانه هستند.
آبکاری قلع
مس مورداستفاده در شینهها یا پایانههای سیم، اغلب با استفاده از قلع در برابر اکسیداسیون محافظت میشود که یک نوع پوشش حفاظتی است. قلع از خوردگی، بهویژه از اکسیداسیون به علت ترکیب با هوا و گوگرد، جلوگیری میکند. خوردگی میتواند بسیار پیچیده باشد و به شرایط متنوعی مانند محیط، فلزات و پوششهای محافظتی آنها بستگی دارد. اثرات زیستمحیطی شامل مواد شیمیایی، درجه حرارت و رطوبت است. بسته به سطوح مواد شیمیایی و ترکیبات موجود در محیطزیست خوردگی میتواند بهسرعت یا بهآرامی در طول سالها رخ دهد. الزامات موردنیاز پوششهای محافظ شامل مقاومت در برابر خوردگی و چسبندگی خوب به فلز پایه است.
گرچه بعضی از مواد عملکرد کلی بهتری دارند، اما شرایطی وجود دارد که تقریباً هر ماده ای ممکن است دچار خوردگی و یا سایر انواع واکنشهای شیمیایی شود.
روشهای قلع اندود
ازلحاظ تاریخی، پوشش قلع بهوسیله فروبردن در قلع مذاب سابقه ای طولانی دارد. در سالهای اخیر این روش محبوبیت کمتری یافته است و در حال حاضر اکثر تولیدکنندگان از روش الکترولیز قلع استفاده میکنند.
مهمترین مزیت فنی آبکاری الکترولیز به نسبت عبور از داخل قلع مذاب، یکنواخت بودن محصول و صرفهجویی قابلتوجه در هزینههای فلز مصرفی است. بهعنوانمثال، یک سیم مسی استاندارد با قطر 63/1 میلیمتر که با قلع به ضخامت 5/6 میکرون، میتواند تا قطر 2/0 میلیمتر برسد و همچنان 6/0 تا ۱ میکرون قلع را بهطور یکنواخت در تمام سیم پوشش داده باشد. مقایسه میزان هزینه مصرفی در دو روش غوطهوری مذاب و الکترولیز به عوامل بسیار زیادی بستگی دارد، اما برآورد میشود که حداقل دو برابر مقدار قلع برای تولید همان مقدار سیم استفاده شود.
سرعت بالای تولید به روش الکترولیز یکی از مزایایی است که میتواند حتی به ۵۰۰ متر بر دقیقه نیز برسد.
الکترولیز قلع
قلع یکی از سادهترین فلزات برای آبکاری به روش الکترولیز است، اما در مقیاس صنعتی در اواخر دهه ۱۹۳۰ مورد استفاده قرار گرفت، زیرا این فلز بهآسانی میتواند با روش غوطه وری مذاب نیز آبکاری شود. یکی از مزایای استفاده از الکترولیز این است که هیچ محدودیتی برای ضخامت قلع وجود ندارد. ضخامت موردنیاز را میتوان با تنظیم پارامترهای حمام آبکاری و زمان، به دست آورد. با افزایش آگاهی در مورد مزایای روش الکترولیز قلع تحقیقات گستردهای در این زمینه در حال انجام است.
الکترولیز خالص قلع به علت قابلیت لحیم کاری، سازگاری، هزینه کم و سهولت تولید، تبدیل به محبوبترین فرایند پوشش سطحی برای اجزای الکترونیکی بدون سرب شده است. قلع و آلیاژهای آن میتوانند از الکترولیتهای مختلف ازجمله محلولهای آبی فلئورو بورات، سولفات و محلولهای متانسولفونات استفاده شود.
در ده سال گذشته، الکترولیز بر پایه محلول متانسولفونات به علت خوردگی کم و توانایی حل کردن فلزات غیرقابلحل در سایر اسیدهای آلی یا معدنی موردتوجه قرار گرفت. پروژههای متعدد تحقیقاتی با هدف ارتقاء کاربردهای صنعتی این سیستم، بهویژه در ساخت مدار چاپی (PCB) انجام شده است. اسیدسولفوریک در مقایسه با اسید متان سولفونیک دارای مزایای فراوانی ازجمله خطر کمتر برای محیطزیست و هزینههای نسبتاً پایین است.
پوشش قلع میتواند براق یا مات باشد. قلع براق از محلولهای آبکاری حاوی براقکنندهها که مواد افزودنی آلی هستند و باعث تشکیل رسوب با دانههای بسیار ریزی میشود، به دست میآید. این نوع پوشش ظاهر زیبایی دارد؛ بااینحال این پوششها تنشهای داخلی زیادی دارند و حاوی مقادیر بالایی مواد آلی هستند. پوششهای مات قلع در الکترولیتهایی بدون براقکننده تهیه میشوند. ظاهر کار مات است اما سطح تنشهای داخلی در رسوبات مات بسیار کمتر از پوشش براق است.
حمامهای اسیدی سولفات قلع در طول چندین سال اخیر بسیار پر کاربرد بوده اند. الکترولیت مناسب و در دسترسی که شامل سولفات قلع، اسیدسولفوریک و براقکنندههای اختصاصی میشود. از معایب سیستم سولفاتیک عدم امکان استفاده در دانسیته بالای جریان (پوشش با سرعت بالا) و حلالیت کم نمک های سرب که برای ایجاد پوشش آلیاژ قلع – سرب برای جلوگیری از تشکیل دانه های ریز مورد نیاز است، میباشد.یکی دیگر از مشکلات مرتبط با الکترولیت اسیدسولفوریک، تمایل به اکسیداسیون مواد آلی و یونهای فلزی با ظرفیت مختلف است که یکی از آنها قلع است. تبديل فرم قلع دو ظرفیتی به اکسید قلع چهار ظرفیتی که قابل حل نیست و ته نشین میشود. حمام فلوئور بورات به علت بازدهی ۱۰0% کاتد و سرعت پوشش بالا، از محبوبیت برخوردار بوده است. علاوه بر این، نسبت قلع و سرب را میتوان برای تولید هر ترکیب لحیمکاری تنظیم کرد.
با اینحال، محلولهای فلئورو بورات، خطرناکتر هستند، زیرا اسید فلوئوریک اسیدی قوی است و سوختگیهای شدید پوست را ایجاد کند و به چشمها، دستگاه گوارش و دستگاه تنفسی آسیب میرساند.
نمونه کابل قلع اندود شده
خواص اندودهای فلزی
مس نیکل اندود | مس نقرهاندود | مس قلع اندود | مس خالص | خواص مواد آبکاری |
ºC ۴۵۰ | ºC ۲۵۰ | ºC۱۵۰ | ºC ۱۰۰ | بیشترین دمای کارکرد |
۹۶% | ۱۰۰-۱۰۳% | ۱۰۰% | ۱۰۰% | رسانایی (IACS) |
نیاز به جریان فعال دارد | عالی | خوب | متوسط | لحیمکاری |
هدایت الکتریکی در درجه حرارت بالا پایدار باقی میماند | عالی – بدون از دست دادن هدایت الکتریکی در دمای بالا. عمر مفید لحیمکاری خوب و با گذشت زمان تغییر نمیکند. | با توجه به مهاجرت اکسیداسیون قلع و مس و قلع، میزان هدایت الکتریکی و قابلیت جوش کاهش مییابد. | پایداری | |
بسیار عالی | خوب | عالی | خوب | مقاومت به خوردگی |
** | ** | ** | ** | طول مدت انعطاف پذیری |
** | ** | ** | ** | فرایند پذیری |
€€ | €€€ | € | € | قیمت |
کابلهای مقاوم به حرارت و مواد شیمیایی | کابلهای فرکانس بالا و میکرو کابلها | سیگنال و ابزار دقیق | انتقال قدرت و توزیع برق | کاربرد |