Artykuły techniczne

Streszczenie 

W ostatnich latach bizmut pojawił się jako korzystny pierwiastek stopowy w stopach lutowniczych, służąc dwóm kluczowym zastosowaniom. Po pierwsze, bizmut jest stosowany w wielu niskotemperaturowych stopach lutowniczych, które obsługują zespoły wrażliwe na temperaturę, a po drugie, niewielkie dodatki bizmutu w stopach lutowniczych o wysokiej niezawodności okazują się cenne we wzmacnianiu trwałości połączeń, optymalizacji właściwości zwilżania i minimalizowaniu pustek.   

Bizmut: Właściwości i porównanie z innymi metalami lutowniczymi

Bizmut (Bi) to kruchy, krystaliczny i stosunkowo gęsty metal o srebrno-różowym odcieniu. Wyróżnia się, ponieważ w połączeniu z innymi metalami, takimi jak cyna, jego ogólna temperatura topnienia obniża się z powodu interakcji eutektycznych. Podczas gdy jego temperatura topnienia wynosi 271°C, stopy na bazie bizmutu ciekną poniżej 200°C. 

W porównaniu do innych metali stosowanych w lutowaniu, bizmut wyróżnia się również niższą toksycznością. Stanowi on stosunkowo bezpieczną alternatywę dla ołowiu, który był stopniowo wycofywany z wielu zastosowań ze względu na obawy dotyczące środowiska i zdrowia.

Inną unikalną cechą bizmutu jest jego tendencja do rozszerzania się po zestaleniu, właściwość, którą dzieli z H2O (woda/lód), ale z kilkoma innymi metalami. 

Niska przewodność elektryczna i cieplna bizmutu w stosunku do cyny i srebra może stanowić wyzwanie w niektórych zastosowaniach, szczególnie tych, w których rozpraszanie ciepła lub optymalna przewodność są najważniejsze. Tabela 1 pokazuje, jak bizmut wypada w porównaniu z wieloma popularnymi stopami lutowniczymi pod względem przewodności elektrycznej i cieplnej, a także temperatury topnienia i gęstości.

Tabela 1. Porównanie właściwości fizycznych popularnych elementów lutowniczych. [1] 

Pierwsza generacja bezołowiowych stopów lutowniczych nie bez powodu unikała bizmutu. Gdy bizmut wchodzi w kontakt z ołowiem, tworzy niskotopliwą fazę eutektyczną, która może stać się krucha, powodując pęknięcia lub uszkodzenie połączenia pod wpływem naprężeń. Kwestia ta jest szczególnie istotna w elektronice, która wciąż może być zanieczyszczona ołowiem pochodzącym ze starszych procesów, ponieważ nawet śladowe ilości ołowiu mogą powodować powstawanie tych niestabilnych związków. 

Jednak wraz z niemal całkowitą eliminacją Pb w montażu PCB, późniejsze generacje lutów bezołowiowych zaczęły zawierać bizmut ze względu na jego cenne właściwości.

Stopy cyna-bizmut (SnBi) są szeroko stosowane w aplikacjach wymagających temperatur przetwarzania niższych niż te wymagane dla tradycyjnych lutów bezołowiowych, takich jak SAC305. Dzięki temperaturze topnienia wynoszącej zaledwie 138°C, stopy SnBi zmniejszają ekspozycję termiczną podczas lutowania, dzięki czemu idealnie nadają się do delikatnej elektroniki, elastycznych podłoży i zastosowań, w których długotrwała ekspozycja na ciepło może prowadzić do uszkodzenia komponentów lub podłoża.

Oprócz ochrony wrażliwych komponentów, zastosowanie bizmutu w niskotemperaturowych stopach lutowniczych oferuje korzyści ekonomiczne i środowiskowe. Procesy lutowania w niższych temperaturach zużywają mniej energii, potencjalnie zmniejszając koszty operacyjne i obniżając wpływ produkcji na środowisko. Co więcej, minimalny wpływ termiczny zmniejsza prawdopodobieństwo wypaczenia płytek PCB i innych podłoży. 

Pomimo tych zalet, niskotemperaturowe stopy lutownicze na bazie bizmutu wiążą się również z pewnymi wyzwaniami. Kruchość bizmutu może ograniczać wytrzymałość mechaniczną połączeń lutowanych, czyniąc je bardziej podatnymi na pękanie pod wpływem naprężeń mechanicznych. Ryzyko kruchości złącza jest istotnym problemem w zastosowaniach, w których mogą wystąpić gwałtowne wahania temperatury lub naprężenia mechaniczne, ponieważ może to prowadzić do przedwczesnego uszkodzenia złącza.

Ponieważ przewodność cieplna i elektryczna bizmutu jest niższa niż cyny, miedzi i srebra, może on również nie sprawdzać się dobrze w zastosowaniach wymagających wydajnego rozpraszania ciepła lub wysokiej wydajności elektrycznej. 

Mało procentowe dodatki bizmutu w stopach lutowniczych o wysokiej niezawodności

Rola bizmutu w stopach lutowniczych jest nieco paradoksalna: gdy jest on głównym składnikiem lutów niskotemperaturowych, wiadomo, że przyczynia się do kruchości, jednak obawy te nie mają zastosowania, gdy jest stosowany jako niewielki dodatek w preparatach lutowniczych o wysokiej niezawodności.

W niewielkich ilościach, zwykle około 1-6%, bizmut w rzeczywistości poprawia wydajność lutowania, a nie pogarsza ją.[2] W tych niskich stężeniach bizmut nie prowadzi do kruchych związków międzymetalicznych związanych z wyższą zawartością bizmutu; zamiast tego działa w celu udoskonalenia mikrostruktury stopu, poprawiając właściwości, takie jak wytrzymałość, stabilność termiczna, a nawet odporność na zmęczenie. 

Rysunek 1 przedstawia porównanie struktury ziarna pomiędzy SAC305 i dwoma stopami zawierającymi bizmut: REL61, stop o niskiej zawartości srebra zaprojektowany jako zamiennik SAC305, oraz REL22, stop o wysokiej niezawodności na bazie SAC. Po pierwszym odlaniu wszystkie trzy stopy mają podobną strukturę ziarna. Jednak po starzeniu w temperaturze 150°C przez 24 godziny, SAC305 wykazuje niestabilną mikrostrukturę, podczas gdy oba stopy zawierające bizmut pozostają niezdegradowane.

Niska temperatura topnienia bizmutu ma również znaczenie, gdy jest dodawany w niskich stężeniach, nieznacznie obniżając ogólną temperaturę topnienia stopu, zmniejszając w ten sposób naprężenia termiczne na komponentach podczas lutowania. 

Stopy na bazie SAC zawierające bizmut są obecnie powszechne w zastosowaniach o wysokiej niezawodności, w tym w motoryzacji, lotnictwie i elektronice przemysłowej, gdzie wytrzymałość połączeń lutowanych ma kluczowe znaczenie. W tych zastosowaniach konkretne korzyści wynikające z niewielkich dodatków bizmutu mogą prowadzić do poprawy integralności i spójności połączeń, co ma kluczowe znaczenie dla komponentów narażonych na długotrwałe obciążenia operacyjne lub wymagające warunki środowiskowe.

Wytrzymałość i twardość

SNiewielkie ilości bizmutu mogą poprawić twardość połączeń lutowanych, przyczyniając się do zwiększenia odporności na odkształcenia mechaniczne i cykle termiczne. Bizmut tworzy związki międzymetaliczne z cyną, które przyczyniają się do drobniejszej struktury ziarna, zwiększając wytrzymałość i twardość stopu. Podczas gdy SAC305 ma twardość HV10 równą 14, stopy zawierające bizmut REL61 i REL22 mają twardość odpowiednio 26 i 29.  

Zwilżalność i napełnianie beczki

Bizmut zwiększa zwilżalność, umożliwiając roztopionemu lutowi skuteczniejsze rozprowadzanie i wiązanie na powierzchniach metalowych[3]. Ta lepsza płynność sprzyja lepszemu wypełnieniu cylindra w elementach z otworami przelotowymi, ponieważ stopiony stop łatwiej przepływa do wąskich przestrzeni. Rysunek 2 przedstawia porównanie kątów zwilżania dwóch stopów zawierających bizmut z SAC305 i SN100C. Mniejsze kąty zwilżania wskazują na lepsze zwilżanie. 

Gładkość stawów

W stopie SAC dodatkowy bizmut przyczynia się do gładszych połączeń lutowniczych o matowym wykończeniu. Ta cecha poprawia wydajność automatycznej inspekcji optycznej (AOI), ponieważ gładsze i bardziej spójne połączenia są łatwiejsze do sprawdzenia i rzadziej powodują fałszywe wykrywanie wad, jak w przypadku SAC305. Rysunek 3 przedstawia zdjęcia wykonane przez wysokiej klasy maszynę AOI, ilustrujące wyraźną różnicę między SAC305 a REL61 zawierającym bizmut. 

Zmniejszenie oddawania moczu 

Wykazano również, że dodanie bizmutu do lutowia zmniejsza powstawanie pustek. Zmniejszona ilość pustych przestrzeni przekłada się na lepszą integralność strukturalną i niezawodność elektryczną, zmniejszając prawdopodobieństwo wystąpienia słabych punktów, które mogą ulec uszkodzeniu pod wpływem naprężeń termicznych lub mechanicznych[4]. 

Tin Whisker Mitigation 

Wąsy cynowe to narośla cyny ze stopu, które mogą pojawić się w różnych warunkach, takich jak naprężenie złącza lub zginanie. Wiskery te są problematyczne w elektronice, ponieważ mogą prowadzić do zwarć. Zaobserwowano, że stopy zawierające bizmut wydają się łagodzić wzrost tych wiskerów. Nie jest do końca jasne, dlaczego tak się dzieje, ale rysunek 4. Pokazuje wyraźną różnicę między wzrostem wiskerów cynowych w SAC305 w porównaniu do REL61 zawierającego bizmut. 

Bizmut odgrywa wieloaspektową rolę w nowoczesnej technologii lutowania, oferując korzyści, które zaspokajają zarówno potrzeby przetwarzania w niskich temperaturach, jak i wymagania dotyczące wysokiej niezawodności. Jego wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne sprawiają, że doskonale nadaje się do zastosowań wymagających zmniejszonej ekspozycji termicznej i zwiększonej niezawodności połączeń. 

Podczas gdy reputacja bizmutu jako kruchego metalu może budzić obawy, szczególnie w zastosowaniach lutowniczych w niskich temperaturach, gdy jest on stosowany w niewielkich ilościach w stopach lutowniczych o wysokiej niezawodności, wady te są w dużej mierze wyeliminowane, pozwalając korzystnym właściwościom bizmutu wysunąć się na pierwszy plan. Na śladowych poziomach bizmut poprawia mikrostrukturę stopu, przyczyniając się do poprawy wytrzymałości, stabilności i nieco niższej temperatury topnienia - a wszystko to przy potencjalnej poprawie niezawodności połączenia. 

[1] The Engineering Toolbox. (n.d.). The Engineering Toolbox. Retrieved November 19, 2024, from https://www.engineeringtoolbox.com/ 

[2] H. Elhosiny Ali, A.M. El-Taher, H. Algarni, Influence of bismuth addition on physical and mechanical properties of low silver/lead-free Sn-Ag-Cu solder, Materials Today Communications, Volume 39, 2024,109113, ISSN 2352-4928, https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.109113.

[3] M.I.I. Ramli, M.A.A. Mohd Salleh, H. Yasuda, J. Chaiprapa, K. Nogita, The effect of Bi on the microstructure, electrical, wettability and mechanical properties of Sn-0.7Cu-0.05Ni alloys for high strength soldering, Materials & Design, Volume 186, 2020, 108281, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108281.

[4] Preeth Sivakumar, Kathy O'Donnell, Junghyun Cho, Effects of bismuth and nickel on microstructure evolution of Sn-Ag-Cu (SAC)-based solders, Materials Today Communications, Volume 26, 2021, 101787, ISSN 2352-4928, https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101787. 

Pierwotnie opublikowane w Circuitnet