Resumo
Nos últimos anos, o bismuto surgiu como um elemento de liga vantajoso na solda, atendendo a duas aplicações principais. Em primeiro lugar, o bismuto é usado em muitas soldas de baixa temperatura que suportam montagens sensíveis à temperatura e, em segundo lugar, pequenas adições de bismuto em soldas de alta confiabilidade estão se mostrando valiosas para reforçar a durabilidade da junta, otimizando as características de umedecimento e minimizando os vazamentos.
Bismuto: Propriedades e comparação com outros metais de solda
O bismuto (Bi) é um metal frágil, cristalino e relativamente denso com uma tonalidade rosa-prateada. Ele se destaca porque, quando combinado com outros metais, como o estanho, seu ponto de fusão geral diminui devido às interações eutéticas. Embora seu ponto de fusão elementar seja 271°C, as ligas à base de bismuto se liquefazem abaixo de 200°C.
Em comparação com outros metais usados na soldagem, o bismuto também se distingue por sua menor toxicidade. Ele oferece uma alternativa relativamente segura ao chumbo, que foi gradualmente eliminado em muitas aplicações devido a preocupações ambientais e de saúde.
Outra característica exclusiva do bismuto é sua tendência a se expandir após a solidificação, uma propriedade que ele compartilha com o H2O (água/gelo), mas com poucos outros metais.
A baixa condutividade elétrica e térmica do bismuto em relação ao estanho e à prata pode apresentar desafios em determinadas aplicações, especialmente naquelas em que a dissipação de calor ou a condutividade ideal são fundamentais. A Tabela 1 mostra como o bismuto se compara a muitos elementos de liga de solda comuns em termos de condutividade elétrica e térmica, bem como de ponto de fusão e densidade.
| Elemento | Condutividade elétrica (%IACS) | Condutividade térmica (W/mK) | Ponto de fusão °C | Densidade g/cm3 |
| Antimônio | 4 | 26 | 630 | 6.69 |
| Bismuto | 1.5 | 8 | 271 | 9.75 |
| Cobre | 100 | 401 | 1084 | 8.94 |
| Índio | 20 | 84 | 157 | 7.31 |
| Liderança | 9.1 | 36 | 328 | 11.34 |
| Níquel | 25 | 94 | 1453 | 8.91 |
| Prata | 109 | 428 | 961 | 10.49 |
| Estanho | 16 | 68 | 232 | 7.28 |
Tabela 1. Uma comparação das propriedades físicas de elementos de solda comuns. [1]
O lugar do bismuto na evolução das ligas de solda sem chumbo
As ligas de solda sem chumbo de primeira geração evitavam o bismuto por um bom motivo. Quando o bismuto entra em contato com o chumbo, ele forma uma fase eutética de baixo ponto de fusão que pode se tornar frágil, causando fraturas ou falhas na junta sob tensão. Esse problema é particularmente significativo em produtos eletrônicos que ainda podem sofrer contaminação por chumbo de processos antigos, pois até mesmo quantidades mínimas de chumbo podem desencadear a formação desses compostos instáveis.
Entretanto, com a eliminação quase completa do Pb na montagem de PCBs, as gerações posteriores de soldas sem chumbo começaram a incorporar o bismuto por suas propriedades valiosas.
Bismuto em ligas de solda de baixa temperatura
As ligas de estanho-bismuto (SnBi) são amplamente utilizadas em aplicações que exigem temperaturas de processamento mais baixas do que as necessárias para as soldas tradicionais sem chumbo, como a SAC305. Com um ponto de fusão tão baixo quanto 138°C, as ligas SnBi reduzem a exposição térmica durante a soldagem, o que as torna ideais para produtos eletrônicos delicados, substratos flexíveis e aplicações em que a exposição prolongada ao calor poderia causar danos aos componentes ou ao substrato.
Além de proteger componentes sensíveis, o uso de bismuto em soldas de baixa temperatura oferece benefícios econômicos e ambientais. Os processos de soldagem em baixa temperatura consomem menos energia, o que pode reduzir os custos operacionais e diminuir o impacto ambiental da fabricação. Além disso, o impacto térmico mínimo reduz a probabilidade de empenamento em PCBs e outros substratos.
Questões associadas
Apesar dessas vantagens, as soldas de baixa temperatura à base de bismuto também apresentam alguns desafios. A fragilidade do bismuto pode limitar a resistência mecânica das juntas de solda, tornando-as mais suscetíveis a rachaduras sob estresse mecânico. O risco de fragilidade da junta é uma preocupação notável em aplicações que podem sofrer rápidas flutuações de temperatura ou tensões mecânicas, pois pode levar à falha prematura da junta.
Como as condutividades térmica e elétrica do bismuto são menores do que as do estanho, do cobre e da prata, ele também pode não ter um bom desempenho em aplicações que exijam dissipação de calor eficiente ou alto desempenho elétrico.
Adições de pequena porcentagem de bismuto em ligas de solda de alta confiabilidade
A função do bismuto nas ligas de solda é um tanto paradoxal: quando é um constituinte principal em soldas de baixa temperatura, sabe-se que ele contribui para a fragilidade, mas essas preocupações não se aplicam quando ele é usado como um aditivo menor em formulações de solda de alta confiabilidade.
Em pequenas porcentagens, normalmente em torno de 1-6%, o bismuto de fato melhora o desempenho da solda, em vez de prejudicá-lo.[2] Nessas baixas concentrações, o bismuto não leva aos compostos intermetálicos frágeis associados a um teor mais alto de bismuto; em vez disso, ele age para refinar a microestrutura da liga, melhorando propriedades como força, estabilidade térmica e até mesmo resistência à fadiga.
A Figura 1 mostra uma comparação da estrutura de grãos entre o SAC305 e duas ligas que contêm bismuto: REL61, uma liga com baixo teor de prata projetada como substituta da SAC305, e REL22, uma liga de alta confiabilidade baseada em SAC. Quando fundidas pela primeira vez, as três ligas têm estrutura de grãos semelhante. Porém, após o envelhecimento a 150°C por 24 horas, a SAC305 demonstra uma microestrutura instável, enquanto as duas ligas contendo bismuto permanecem sem degradação.
O benefício do baixo ponto de fusão do bismuto também entra em ação quando adicionado em baixas concentrações, diminuindo ligeiramente a temperatura geral de fusão da liga, reduzindo assim o estresse térmico nos componentes durante a soldagem.
As ligas à base de SAC que contêm bismuto agora são comuns em aplicações de alta confiabilidade, incluindo eletrônica automotiva, aeroespacial e industrial, em que a robustez das juntas de solda é fundamental. Nessas aplicações, os benefícios específicos trazidos por pequenas adições de bismuto podem levar à melhoria da integridade e da consistência da junta, que são cruciais para componentes expostos a estresses operacionais prolongados ou a condições ambientais exigentes.
Influência nas propriedades da solda
Resistência e dureza
SPequenas quantidades de bismuto podem melhorar a dureza das juntas de solda, contribuindo para aumentar a resistência à deformação mecânica e ao ciclo térmico. O bismuto forma compostos intermetálicos com estanho que contribuem para uma estrutura de grãos mais finos, aumentando a resistência e a dureza da liga. Enquanto o SAC305 tem uma dureza HV10 de 14, as ligas que contêm bismuto REL61 e REL22 têm durezas de 26 e 29, respectivamente.
Molhabilidade e enchimento do barril
O bismuto aumenta a molhabilidade, permitindo que a solda derretida se espalhe e se una de forma mais eficaz às superfícies metálicas.[3] Essa fluidez aprimorada promove um melhor preenchimento do cilindro em componentes de orifício passante, pois a liga derretida flui para espaços estreitos com mais facilidade. A Figura 2 mostra como os ângulos de contato de duas ligas contendo bismuto se comparam ao SAC305 e ao SN100C. Ângulos de contato menores indicam melhor molhabilidade.
Suavidade das articulações
Em uma liga SAC, o bismuto adicional contribui para que as juntas de solda fiquem mais suaves e com acabamento fosco. Essa característica melhora o rendimento da inspeção óptica automática (AOI), pois as juntas mais suaves e consistentes são mais fáceis de inspecionar e têm menor probabilidade de disparar falsas detecções de defeitos, como ocorre com a SAC305. A Figura 3 mostra imagens tiradas por uma máquina AOI de ponta, ilustrando a clara diferença entre o SAC305 e o REL61 contendo bismuto.
Redução da micção
A adição de bismuto à solda também demonstrou reduzir a formação de vazios. A redução de vazios se traduz em maior integridade estrutural e confiabilidade elétrica, reduzindo a probabilidade de pontos fracos que poderiam falhar sob estresse térmico ou mecânico.[4]
Mitigação do Tin Whisker
Os whiskers de estanho são crescimentos de estanho de uma liga que podem ocorrer sob diferentes condições, como tensão ou flexão da junta. Esses whiskers são problemáticos em eletrônicos porque podem causar curtos-circuitos. Observou-se que as ligas que contêm bismuto parecem atenuar o crescimento desses whiskers. Não se sabe bem por que isso acontece, mas a Figura 4. Mostra a grande diferença entre o crescimento de whiskers de estanho no SAC305 em comparação com o REL61 contendo bismuto.
Conclusão
O bismuto desempenha um papel multifacetado na moderna tecnologia de solda, oferecendo benefícios que atendem às necessidades de processamento em baixa temperatura e aos requisitos de alta confiabilidade. Suas propriedades físicas e químicas distintas o tornam especialmente adequado para aplicações que exigem exposição térmica reduzida e maior confiabilidade da junta.
Embora a reputação do bismuto como um metal frágil possa gerar preocupações, principalmente em aplicações de solda de baixa temperatura, quando usado em pequenas quantidades em ligas de solda de alta confiabilidade, essas desvantagens são eliminadas em grande parte, permitindo que as propriedades benéficas do bismuto venham à tona. Em níveis de traços, o bismuto aprimora a microestrutura da liga, contribuindo para melhorar a resistência, a estabilidade e um ponto de fusão ligeiramente mais baixo - tudo isso enquanto melhora potencialmente a confiabilidade da junta.
Referências
[1] The Engineering Toolbox. (n.d.). The Engineering Toolbox. Recuperado em 19 de novembro de 2024, de https://www.engineeringtoolbox.com/
[2] H. Elhosiny Ali, A.M. El-Taher, H. Algarni, Influence of bismuth addition on the 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 the 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.