Steigendes Interesse an Lotlegierungen mit Bi: Bismuth Bi-Containing Solder Alloys: Bismuth ist großartig!

Wenn Sie kürzlich noch nichts über Bi-haltige (Wismut) Lötlegierungen gehört haben, kann sich das möglicherweise in naher Zukunft ändern. Niedrig schmelzende Bi-haltige Lote finden jetzt zunehmend Verwendung und gewinnen an Popularität aufgrund der niedrigeren Temperaturschmelze-58Bi/42Sn ist bei 138 °C eutektisch und 57Bi/42Sn/1AG schmilzt bei 137-139 °C (beide sind bleifreie Alternativen).

Ein Niedrigtemperaturlot ist vorteilhaft bei Legierungen mit höherer Schmelztemperatur, da die Anforderungen der Verarbeitung bei einer Niedrigtemperatur sowohl thermische Schäden und Kosten insgesamt reduzieren können. Mängel wie zum Beispiel die Delamination oder  das „Pop-Corning" können durch Niedrigtemperaturlote minimiert oder eliminiert werden. Delaminierung oder ein Pop-Corning -Fehler treten in feuchtigkeitsempfindlichen Geräten (MSDS) auf, wenn die Feuchtigkeit in die Kunststoffkomponenten eindringt und sich rasant bei Wärme ausbreitet. Diese Niedrigtemperaturlegierungen sind auch von Interesse für die Verwendung von temperaturempfindlichen Komponenten, den schrittweisen Lötprozess oder Nacharbeiten.

Die unedlen Metalle für die meisten Lote sind das Zinn, das bei 232^oC minimiert oder eliminiert wird. Eine Reihe von Legierungselementen wird verwendet, um die Schmelztemperatur der Legierung zu senken. Ga, In, Bi und Cd sind effektiv bei der Reduzierung der Schmelztemperatur der Lotlegierungen. Aber Cd wird wegen seiner Toxizität nicht oft in Betracht gezogen. Gallium-haltige Legierungen sind nicht sinnvoll, da sie in der Regel bei Raumtemperatur oder leicht darüber liquidus werden. Das lässt Bismut und Indium als die Kandidaten für zinnbasierte Lotlegierungen mit Niedrigtemperaturen übrig. Indium und Wismut bieten beide einzigartige physikalische Eigenschaften.

Die BiSnAg-Legierung hat eine niedrigere Schmelztemperatur als die Standard Zinn-Blei-Lote (SN63/Pb37 oder SN63 eutektisch - 183^o C), aber sie ist hoch genug, um in vielen Fällen der Betriebstemperatur der Endprodukte zu widerstehen. Darüber hinaus sind ihre mechanischen Eigenschaften ähnlich zu Sn63, aber die Lotlegierung enthält kein Blei. Die Legierung ist fast eutektisch bei137-139°C. Da eine Reflow –Temperatur von 20 bis 40^oC über Liquidus  normalerweise empfohlen wird, benötigt die BiSnAg -Legierung nur noch eine maximale Reflow -Verarbeitungstemperatur von ca. 180°C. Die Sn63- Montage erfordert generell 205-215 °C (oder höher, wenn Pb BGAs zurückfließen - 225-230 °C), und Temperaturen von 240-245 °C sind normal für eine bleifreie Montage.

Arbeiten von HP (bisnag_strength_und_Müdigkeit___hp.pdf) zur Scherfestigkeit, Kriechfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit  und andere mechanische Tests zeigen, dass BiSnAg Eigenschaften hat, die sich SN63 nähern oder es unter den meisten Bedingungen, einschließlich angemessener Festigkeit bis 90 °C, übertreffen.

Es gibt einige echte Bedenken zu bismuthhaltigen Legierungen. Eines der Hauptanliegen ist, dass Bi tendenziell recht spröde ist und zweitens, wenn es in einer Anwendung verwendet wird, in der Blei vorhanden ist, kann es zu einer Bildung eines niedrigschmelzenden Eutektikums bei 96 °C kommen. Die Bildung eines niedrigschmelzenden Eutektikums war ein wichtiges Anliegen als die Industrie zuerst in das bleifreie Feld vorstieß; die meisten Montagen wurden nur teilweise bleifrei ausgeführt und Verunreinigungen von Blei waren ein echtes Problem. Da der Übergang fortgeschritten ist, ist diese Situation mittlerweile kaum ein Problem; heute sind Bi- haltigen Materialien eine tragfähige Option.

Der Schwerpunkt hier wurde auf die BiSnAg- Zusammensetzung gelegt, weil HP am Anfang beobachtete, dass kleine Zusätze von Ag (oder Au) die thermische Ermüdung der eutektischen BiSn-Legierung steigert. Bei -25° bis 75 °C (BiSnAg  überlebten alle Montagen 7.0 thermische Zyklen und übertrafen Sn63 tatsächlich. Die thermische Ermüdung von BiSnAg ist vergleichbar mit oder besser als Sn63 (auch im Bereich von 0-100 °C und ohne Bleikontamination). Es wurde von HP vorgeschlagen, dass das Ag eine Korngröße verringern und die Mikrostruktur stabilisieren kann; eine feinere Mikrostruktur ist in der Regel ideal für bessere mechanische Eigenschaften (bisnag_low_Temperatur_LOT_hp.pdf).

Im nächsten Beitrag werde ich einige zusammenfassende Informationen geben, die beachtet werden sollten, wenn die BiSnAg -Legierung im SMT- Verfahren angewendet wird.