A arte de soldar

Uma versão deste post apareceu originalmente em Tédio , um boletim informativo duas vezes por semana que busca o fim da cauda longa.

Muitas pessoas usam eletrônicos com pouca ou nenhuma ideia do que realmente acontece dentro da caixinha que eles têm em sua mesa ou em seus bolsos.

Claro, podemos falar sobre os chips dentro dessa máquina, ou o poder de processamento, mas raramente pensamos no tecido conjuntivo que mantém muitos dos circuitos no silício.

Esse tecido é a solda, o metal de adição fundível que existe de uma forma ou de outra há mais de 4.000 anos – muito antes de a eletrônica existir como um contexto moderno.

Mas em uma época em que esse metal preenchível aparece em quase tudo como uma maneira de empurrar energia através de nossas máquinas e ligar circuitos ao silício, mesmo que não esteja necessariamente fazendo qualquer processamento de nossa computação, torna-se importante discutir - especialmente por ser considerado um dos elementos artísticos da engenharia eletrônica.

Vamos falar sobre a arte de soldar. Sim, é uma arte.

O manual técnico Soldagem manual e reparo de placa de circuito de qualidade soa como o tipo de trabalho projetado para fazer você dormir - especialmente se você não sabe soldar.

Mas se você vire-o para o prefácio , você pode ficar chocado ao encontrar uma das histórias mais fascinantes deste lado de Chesley “Sully” Sullenberger. O pouso forçado de um jato Boeing 767 em 1983 perto de Gimli, Manitoba, Canadá, envolveu o piloto 'deslizando' com sucesso o avião para o solo porque acabou o combustível.

O acidente aconteceu por várias razões estranhas, incluindo o fato de que o sistema de aviação do país havia mudado recentemente para o sistema métrico e alguém esqueceu de avisar a pessoa que colocou o combustível.

Mas a razão pela qual Soldagem manual de qualidade autor H. (Ted) Smith (sim, o “Ted” está entre parênteses) se importa? O erro de combustível não foi detectado imediatamente, porque o medidor de combustível estava com defeito. Por que o medidor de combustível estava no fritz? Soldagem ruim, é claro. É um exemplo dramático em um livro sobre um tema não muito dramático.

Basta dizer que o pessoal da eletrônica leva sua soldagem a sério. Outro exemplo: sempre que Ben Heck, especialista em eletrônica do YouTube prestes a se aposentar faz uma de solda vídeo , os comentários estão inevitavelmente cheios de pessoas criticando tanto sua técnica de soldagem quanto o fato de que, como qualquer outro engenheiro eletrônico americano, ele diz “saw-der”, não “sol-der”. (Heck pode ignorar as reclamações porque ele construiu isso .)

Não prometo ensiná-lo a soldar eletrônicos nesta peça - meu interesse é puramente cultural, então você ficará preso criticando a técnica de outra pessoa. Mas a solda é uma parte muito importante do trabalho em eletrônica, como forma de conectar e proteger diferentes tipos de eletrônicos. Mas sempre vem com um pouco de tensão – porque não é algo que um novato possa aprender e aperfeiçoar em alguns minutos. Uma boa técnica de soldagem leva tempo.

É claro que, embora a soldagem seja definitivamente uma ótima maneira de combinar um circuito com outro, também é um processo bastante tedioso.

Embora tenha havido muitas inovações de soldagem ao longo dos anos - como a patente de 1896 recebida pela American Electrical Heater Company pela invenção do “aparelho de aquecimento elétrico”, ainda hoje vendido como o Ferro de solda American Beauty – o processo realmente consome muito tempo e pode ser bastante irritante para alguém com o comportamento errado.

Essa natureza demorada, é claro, tornou-se uma fonte de tensão de longa data que inspirou algumas das ideias mais importantes da história da tecnologia – especialmente quando Jack Kilby começou a trabalhar na Texas Instruments.

Kilby, um engenheiro que ficou preso no trabalho sozinho durante o verão de 1958, decidiu trabalhar em uma ideia que tinha para resolver um problema de engenharia chamado “tirania dos números”. Basicamente, o problema era que os engenheiros queriam tornar os computadores mais rápidos, mas estavam correndo contra os limites teóricos de velocidade, porque se eles quisessem adicionar mais poder de processamento, isso significaria mais circuitos ocupando espaço e, portanto, mais solda. E porque toda aquela solda estava envolvida, significava que cada circuito era um potencial erro humano esperando para acontecer.

Kilby viu uma solução para o problema de muitos circuitos e espaço insuficiente - e era diferente do que a TI estava considerando, que efetivamente envolvia a criação de blocos modulares de fiação integrada. Kilby pensou que se ele usasse um semicondutor – efetivamente uma mistura de um condutor metálico e um isolante não metálico, como vidro ou silício – ele poderia construir um componente que fosse um circuito por conta própria, sem necessidade de solda.

Depois de fazer alguns esboços, ele experimentou sua ideia usando o metal germânio e uma lâmina de vidro. Ele testou a pequena unidade, e o objeto bruto que ele construiu produziu uma onda senoidal em um osciloscópio. Kilby tinha acabado de inventar o circuito integrado - e cortou uma boa parte da solda necessária para muitos usos da computação.

Eventualmente, o microchip acabaria com a tirania dos números para sempre.

Um 'forno de refluxo' industrial para soldagem. Imagem: Wikimedia Commons

É claro que a criação do microchip não significou o fim da soldagem, nem em contextos industriais, nem em amadores. Ainda havia muita solda envolvida, mas nem todo circuito individual precisava mais de uma.

Para você ter uma ideia, confira este vídeo de “8-Bit Guy” David Murray montando um computador de hobby . É um clipe interessante se você gosta de coisas nerds, mas o fato é que há uma tonelada de solda envolvida para colocar todos esses chips e transistores na placa. E, felizmente, ele edita a maior parte da solda.

E felizmente pela revolução industrial, descobrimos maneiras de automatizar a soldagem. Talvez a técnica mais comum para acelerar o processo de soldagem seja algo chamado “soldagem por refluxo”, que envolve essencialmente colocar uma “pasta” de solda e fluxo – um agente de ligação usado para evitar a oxidação – em uma placa de circuito, lavando o excesso , em seguida, aquecendo toda a placa de circuito a uma temperatura muito alta por um período muito curto de tempo, apenas o tempo suficiente para derreter a solda na placa de circuito.

Se isso soa como usar um forno, você estaria certo - e muitos hobistas (incluindo, deve-se dizer, Ben Heck ) são conhecidos por usar fornos para refluir a solda em suas máquinas - uma técnica que também foi conhecido para trazer máquinas mortas de volta à vida.

Certamente, se você não sabe o que está fazendo, nem deveria pensar nisso. (E como a solda é afetada pelo calor, há limites quanto à eficácia dessa técnica a longo prazo.) Mas esta é uma receita que tornou a soldagem um pouco mais fácil para os engenheiros do mundo.

— Uma passagem de uma ficha técnica a partir de QST , a revista oficial da American Radio Relay League. Esta afirmação, por razões óbvias, fala com a ideia de que a solda é uma forma de arte que leva tempo para acertar. Como resultado disso, as pessoas na indústria de engenharia tendem a se preocupar com esses detalhes – e muitas vezes se preocupam se as gerações mais jovens continuarão aprendendo técnicas de soldagem adequadas. Uma postagem de blog de 2013 em EE Times que discutiu a experiência do autor ajudando um jovem engenheiro que estragou um trabalho de solda atraiu uma tonelada de comentários de pessoas que se perguntavam o que a falta de habilidade de solda significava para o futuro da indústria. “Na minha época – quando os dinossauros vagavam pela Terra – todos os alunos do meu curso universitário já sabiam soldar antes mesmo de pisar no campus.” EE Times ', escreveu Max Maxfield.

Se o nome Iver Anderson não soa como um sino, você está perdendo o conhecimento sobre o cara que é responsável pela maior inovação relacionada à solda dos últimos 50 anos - possivelmente até, desde o circuito integrado.

Durante grande parte do século 20, o tipo mais comum de solda usado em vários contextos (inclusive em muitos eletrônicos) era uma mistura de estanho e chumbo - uma combinação atraente para usos de solda porque os dois materiais juntos tinham um ponto de fusão de 370 graus Fahrenheit, uma taxa baixa o suficiente para ser facilmente maleável. No entanto, a natureza tóxica do chumbo significava que era um material problemático para usar em muitos casos e, em 1986, a solda à base de chumbo foi um dos materiais proibidos para uso em encanamento como parte de a Lei de Água Potável dos EUA .

Naquela época, Anderson já havia recebido seu primeira patente envolvendo metal fundido — especificamente um processo de geração de sprays finos de metal fundido na produção de pó metálico.

Um professor de engenharia e funcionário do Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA, com sede em Iowa , localizado no campus da Iowa State University, Anderson estava em posição de ajudar com esse problema. Durante anos, sua atuação no laboratório se interessou pela produção de pós metálicos finos e desempenhou um papel fundamental em uma série de inovações relacionadas à produção de tais pós.

“Em uma palavra, é legal. Eu começo a tocar com metal líquido”, Anderson disse de seu trabalho em 1997 Registo de Des Moines entrevista . “Parece tentadoramente com água que você pode tocar com o dedo… mas por ser muito denso, flui de maneiras diferentes da água.”

Em 1996, ele e seus colegas receberam talvez as patentes mais importantes de toda a sua carreira para a invenção de uma solda sem chumbo criado com a combinação de estanho, cobre e uma pequena quantidade de prata. Embora o Laboratório Ames não tenha sido o primeiro a produzir um substituto sem chumbo, a solução que surgiu era mais forte e tinha uma “zona mole” menor – a faixa de temperatura na qual o material é uma combinação de sólido e líquido – o que o tornou ideal para eletrônicos.

E embora o ponto de fusão da solda seja maior do que o da solda à base de chumbo - cerca de 423 graus Fahrenheit -, ela estava chegando em um momento em que o material de maior desempenho era necessário de qualquer maneira.

“À medida que a tecnologia microeletrônica continua a evoluir, os microprocessadores estão se tornando mais complexos e provavelmente gerarão mais calor e aumentarão as tensões térmicas em juntas de solda eletrônicas e de circuitos”, afirma a patente. “Além disso, o ambiente de serviço das juntas de solda eletrônicas provavelmente se tornará mais severo.”

A invenção teve um enorme valor com base no que fez, mas foi a proeza regulatória da União Europeia que provavelmente garantiu que o material se tornasse uma parte fundamental de muitos eletrônicos em todo o mundo.

Em 2003, a UE adotou uma medida chamada Diretiva de Restrição de Substâncias Perigosas , que exigia que os metais pesados ​​fossem substituídos por alternativas mais seguras. E com muitos eletrônicos entrando no mercado europeu de todo o mundo, isso significava que a solda sem chumbo se tornaria um elemento essencial de muitos eletrônicos digitais.

“Acho que as estatísticas são algo como 4 bilhões de telefones celulares no mundo e, na verdade, todos eles são soldados com solda sem chumbo”, explicou Anderson em um clipe promocional recente do Ames Laboratory .

De acordo com IPWatchdog , 70% dos eletrônicos vendidos globalmente usam solda sem chumbo, rendendo ao Ames Laboratory e à Iowa State University US$ 58 milhões nos anos anteriores à expiração da patente em 2013.

Isso é uma quantidade enorme de influência, é claro, e Anderson foi nomeado para o Hall da Fama dos Inventores Nacionais , mesmo que ele continue inovando em todas as formas de metal em pó.

Em um artigo recente discutindo seu trabalho ao criar um pó de metal de titânio que se espera ser útil na impressão 3D, ele resumiu sua carreira assim: 'A capacidade de fazer formas impossíveis de ligas incríveis é minha missão na vida. Quero trabalhar em maneiras de obter isso feito.'

Ele preparou o cenário para esse trabalho com solda.

Como celebridades de solda vão, você não pode fazer muito melhor do que Jessa Jones, que se tornou um ícone da comunidade de reparos alguns anos atrás depois de enfrentar a Apple na esfera pública.

Jones, um antigo geneticista com habilidade em trabalhar em objetos minúsculos, tornou-se talvez o mais conhecido praticante de microsoldagem, o processo de reparar os circuitos em dispositivos muito pequenos. É uma habilidade necessária para consertar os inúmeros dispositivos modernos que dependem do fato de que a grande ideia de Jack Kilby permitiu que os fabricantes reduzissem os circuitos integrados a tamanhos quase atômicos. É algo em que ela tropeçou depois de decidir tentar consertar o iPad da família - com sucesso, a propósito.

Os reparadores de bricolage da iFixit notaram seu trabalho e colaboraram com ela em uma série de vídeos sobre como funciona a microsoldagem. Sua habilidade ajudou a garantir que seus negócios, Reabilitação de iPad , seria conhecido muito além dos limites da cidade de Mendon, Nova York.

Jones usou seu conjunto de habilidades para consertar muitos telefones, entre outras coisas, e no meio dessas correções, ela se deparou com um problema com o iPhone 6 Plus , onde uma parte da tela sensível ao toque pararia de funcionar. Jones foi capaz de diagnosticar o problema, que ela chamou de “doença do toque IC”, e explicá-lo em uma postagem de blog detalhada . O trabalho de Jones e outros ajudou a Apple a iniciar um programa de reparo para corrigir o problema.

Jones, graças às suas ferramentas confiáveis ​​e know-how de engenharia, estava na linha de frente de um problema que obrigou a maior empresa do mundo a tomar conhecimento. E se não fosse por seu know-how de soldagem em escalas, até mesmo a maioria dos engenheiros teria dificuldades, talvez não tivéssemos seu diagnóstico.

De muitas maneiras, ela está na vanguarda da soldagem moderna, um processo técnico que nas mãos certas pode ser considerado uma forma de arte. Não importa quão pequenas sejam essas “mãos”.