Mechanizm wzrostu zawartości bizmutu w tyglu

Jedna z firm zgłosiła problem ze stopniowo postępującą koncentracją bizmutu w tyglach maszyn do lutowania selektywnego. Firma używa stopu zawierającego od 0.45% do 0.55% - co już przekracza rekomendowany przez IPC-J-STD-001 maksymalny poziom bizmutu na poziomie 0.25% - który dodatkowo w miarę upływu czasu wzrasta do 0.724%. Jaki jest mechanizm wzrostu zawartości bizmutu w lutowiu?

Odpowiedzi na to pytanie dostarcza w swoim wpisie Richard Standem z General Dynamics, który opisuje cały mechanizm wzrostu zawartości bizmutu w lutowiu, o którego istnieniu na pewno nie wszyscy jeszcze wiemy. We wstępie do wypowiedzi Richard Standem podkreśla, że jeśli poziom bizmutu w stosowanym lucie już na starcie wynosi faktycznie od 0.45% do 0.55%, to takie lutowie nie spełnia wymogów norm serii J-STD dla stopów Sn60/Sn63 i po pierwsze należałoby poszukać innego dostawcy i najprawdopodobniej lut taki pochodzi z recyklingu. Norma J-STD-001 ustala limit zawartości bizmutu na 0.25% dla standardowego stopu Sn60 lub Sn63. Jak czytamy w wypowiedzi innego uczestnika dyskusji, bliźniacza norma J-STD-006 mówi nawet o 0.10% zawartości bizmutu, tak więc już sam wkład jest daleki od standardu.

Stężenie mniejsze niż 0.25% bizmutu spowoduje jedynie bardzo małe obniżenie temperatury procesu, co jest jak najbardziej akceptowalne. Jednak nadmierne stężenie bizmutu powyżej granicy 0,25% może spowodować szary wygląd złącza lutowanego, co często nie jest akceptowane przez klientów.

Punktem wyjścia do opisu mechanizmu wzrostu zawartości bizmutu jest fakt, iż w temperaturze pokojowej bizmut ma rozpuszczalność w ołowiu do 18% a rozpuszczalność w cynie sięga jedynie około 1%. Z kolei podczas lutowania ma miejsce dyfuzja pewnej ilości dyfuzji metali z wyprowadzeń komponentów THT do tygla. Z biegiem czasu zawartość cyny np. w lutowiu Sn63 zwykle spada i jeśli nie jest okresowo uzupełniany nowym lutem zawierającym Sn63 (lub nawet niewielką ilością czystej cyny), wkrótce stop de facto staje się lutem Sn62, a następnie Sn61 itd.

Jeśli tak się dzieje, stopniowo rośnie więc  procent ołowiu, z 37% do 38%, do 39% itd. (dlatego, że lutowie zawiera coraz mniej cyny, a nie dlatego, że dodano więcej ołowiu). Wraz ze wzrostem procentowej zawartości ołowiu rośnie ilość bizmutu, ponieważ – jak zaznaczono na wstępie - ma on znacznie wyższą rozpuszczalność w ołowiu niż w cynie (18% w porównaniu do 1%). Mechanizm ten tłumaczy szybki wzrost zawartości bizmutu w tyglu z 0.45% - 0.55% na początku do 0.74%.

Istnieją jeszcze dwa inne, jednak o wiele rzadziej występujące źródła wzrostu zwartości bizmutu. Po pierwsze, ołowiane wyprowadzenia niektórych komponentów stosowanych w przemyśle lotniczym , są wykańczane stopem SnBi, gdzie bizmut może stanowić nawet do 5% objętości. Trzeba jednak podkreślić, iż nie są to popularne komponenty i stanowią rzadkie źródło zanieczyszczenia. Drugim źródłem może być proces tworzenia się zgarów, które złożone są z samej cyny, pozostawiając bizmut w lutowiu.