Bizmut w stopach lutowniczych

Bizmut: właściwości i porównanie z innymi metalami lutowniczymi

Bizmut (Bi) jest kruchym, krystalicznym i stosunkowo gęstym metalem o srebrzysto-różowym odcieniu. Wyróżnia się tym, że w połączeniu z innymi metalami, takimi jak cyna, jego własna temperatura topnienia obniża się ze względu na interakcje eutektyczne. Podczas gdy temperatura topnienia samego bizmutu wynosi 271°C, stopy na bazie bizmutu przechodzą w stan płynny już poniżej 200°C.

W porównaniu z innymi metalami stosowanymi w lutowaniu, bizmut wyróżnia się również niższą toksycznością. Stanowi stosunkowo bezpieczną alternatywę dla ołowiu, który został stopniowo wycofany z wielu zastosowań ze względu na obawy dotyczące środowiska i zdrowia.

Inną unikalną cechą bizmutu jest jego tendencja do rozszerzania się podczas krzepnięcia, czyli właściwość, którą dzieli z H₂O (woda/lód), ale też z niewieloma innymi metalami. Niska przewodność elektryczna i cieplna bizmutu w porównaniu z cyną i srebrem może stanowić problem w tych zastosowaniach, w których rozpraszanie ciepła lub optymalna przewodność mają pierwszorzędne znaczenie. Tabela 1 pokazuje, jak bizmut wypada w porównaniu z wieloma powszechnymi pierwiastkami stopów lutowniczych pod względem przewodności elektrycznej i cieplnej, a także temperatury topnienia i gęstości.

Tabela 1. Porównanie właściwości fizycznych powszechnych pierwiastków lutowniczych. Źródło: www.engineeringtoolbox.com

Bizmut w bezołowiowych stopach lutowniczych

Pierwsza generacja bezołowiowych stopów lutowniczych nie zawierała bizmutu z ważnego powodu: kiedy bizmut wchodzi w kontakt z ołowiem, tworzy niskotopliwą i kruchą fazę eutektyczną, powodując pęknięcia lub inne defekty połączeń pod wpływem naprężeń. Ten problem był szczególnie istotny w przypadkach zanieczyszczenia ołowiem pochodzącym ze starszych procesów, ponieważ nawet śladowe ilości ołowiu mogą wywołać tworzenie się niestabilnej fazy eutektycznej. Jednak wraz z niemal całkowitym wyeliminowaniem Pb w montażu PCB, późniejsze generacje lutów bezołowiowych zaczęły zawierać bizmut ze względu na jego cenne właściwości.

Stopy cyny i bizmutu (SnBi) są szeroko stosowane w aplikacjach niskotemperaturowych, wymagających niższej temperatury procesu niż temperatura topnienia SAC305. Stopy SnBi o temperaturze topnienia wynoszącej zaledwie 138°C zmniejszają ekspozycję komponentów na działanie ciepła podczas lutowania, co czyni je idealnymi do delikatnych aplikacji, układów na podłożach elastycznych czy zastosowań, w których długotrwałe narażenie na działanie ciepła może prowadzić do uszkodzenia podzespołu lub podłoża. Oprócz ochrony wrażliwych komponentów, stosowanie bizmutu w lutach niskotemperaturowych oferuje korzyści ekonomiczne i środowiskowe. Procesy lutowania w niższych temperaturach zużywają mniej energii, co potencjalnie obniża koszty operacyjne i zmniejsza wpływ produkcji na środowisko. Ponadto, minimalny wpływ termiczny zmniejsza prawdopodobieństwo odkształceń w płytkach PCB.

Wyzwania związane ze stosowaniem bizmutu

Pomimo tych zalet, luty niskotemperaturowe na bazie bizmutu stwarzają również pewne wyzwania. Kruchość bizmutu może ograniczać wytrzymałość mechaniczną połączeń lutowanych, czyniąc je bardziej podatnymi na pękanie pod wpływem naprężeń mechanicznych. Ryzyko związane z większą kruchością połączeń jest poważnym problemem w zastosowaniach, w których mogą występować szybkie wahania temperatury lub naprężenia mechaniczne, ponieważ może to prowadzić do przedwczesnego uszkodzenia połączenia.

Ponieważ przewodnictwo cieplne i elektryczne bizmutu jest niższe niż cyny, miedzi i srebra, może on również nie sprawdzać się w zastosowaniach wymagających wydajnego odprowadzania ciepła lub wysokiej wydajności elektrycznej.

Dodatek bizmutu w stopach lutowniczych o wysokiej niezawodności

Rola bizmutu w stopach lutowniczych jest nieco paradoksalna: gdy staje jednym z głównych składników lutów niskotemperaturowych, przyczynia się do ich kruchości, jednak stwierdzenie to nie jest prawdziwe, gdy jest stosowany jedynie jako drobny dodatek. W małych procentach, zwykle około 1–6%, bizmut faktycznie poprawia wydajność lutu, a nie ją pogarsza.[Żródło: 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] Przy tych niskich stężeniach bizmut nie prowadzi do tworzenia się kruchych związków międzymetalicznych (charakterystyczną dla wyższych zawartości bizmutu) i zamiast tego przyczynia się do udoskonalenia mikrostruktury stopu, poprawiając właściwości takie jak wytrzymałość, stabilność termiczna, a nawet odporność na zmęczenie. Eksperymenty starzeniowe, przeprowadzone w temperaturze 150°C przez 24 godziny wykazały, iż SAC305 wykazuje niestabilną mikrostrukturę, podczas gdy stopy zawierające bizmut nie ulegają degradacji.

Niska temperatura topnienia bizmutu jest również zaletą, gdy dodaje się go w niskich stężeniach, nieznacznie obniżając tym samym ogólną temperaturę topnienia stopu i zmniejszając w ten sposób naprężenia cieplne komponentów podczas lutowania. Stopy na bazie SAC zawierające bizmut są obecnie powszechne w zastosowaniach wymagających wysokiej niezawodności, w tym w motoryzacji, lotnictwie i elektronice przemysłowej, gdzie wytrzymałość połączeń lutowanych ma pierwszorzędne znaczenie. W tych zastosowaniach korzyści wynikające z niewielkich dodatków bizmutu obejmują poprawę integralności i spójności połączeń, co jest kluczowe w przypadku komponentów narażonych na długotrwałe naprężenia operacyjne lub wymagające warunki środowiskowe.

Rysunek 1. Zrzuty ekranu z AOI, ilustrujące różnicę powierzchni między SAC305 a zawierającym bizmut REL61.

Rysunek 2. Różnica między wzrostem wąsów cynowych w SAC305 w porównaniu z zawierającym bizmut REL61.

Żródło: Bismuth in Solder Alloys. From Bulk Constituent in Low Temp to Performance Enchacer in Highreliability, autor: Gayle Towell, ©AIM

Wpływ bizmutu na właściwości lutu

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

• Zwilżalność i wypełnienie otworów. Bizmut zwiększa zwilżalność, umożliwiając lepsze rozprowadzenie stopionego lutu i skuteczniejsze wiązanie go na powierzchniach metalowych. Ta poprawiona płynność sprzyja lepszemu wypełnieniu otworów przelotowych, ponieważ stopiony stop łatwiej wpływa do wąskich przestrzeni.

• Gładkość połączeń. Dodatek bizmutu w stopie SAC przyczynia się do utworzenia gładszych połączeń lutowanych z matowym wykończeniem. Ta cecha poprawia wydajność automatycznej kontroli optycznej (AOI), ponieważ gładsze i bardziej spójne połączenia są łatwiejsze do sprawdzenia i mniej prawdopodobne jest, że wywołają fałszywe alarmów (Rysunek 1).

• Redukcja pustek. Dodatek bizmutu do lutu zmniejsza tworzenie się pustek, co bezpośrednio przekłada się na poprawę integralności strukturalnej i niezawodności elektrycznej, zmniejszając jednocześnie prawdopodobieństwo pojawiania się słabych punktów, które mogłyby ulec uszkodzeniu pod wpływem naprężeń termicznych lub mechanicznych.

• Zmniejszenie prawdopodobieństwa występowania wąsów cynowych. Wąsy cynowe to cynowe struktury, które występują w takich przypadkach jak odkształcenie połączenia lub zginanie, prowadząc do zwarć. Zaobserwowano, że stopy zawierające bizmut wydają się hamować wzrost wąsów cynowych (choć trzeba podkreślić, iż mechanizm hamowania tego procesu nie jest dobrze poznany i zrozumiany) (Rysunek 2).

Żródło: Bismuth in Solder Alloys. From Bulk Constituent in Low Temp to Performance Enchacer in Highreliability, autor: Gayle Towell, ©AIM

Zdjęcie tytułowe: InterPhone Service

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!