Intérêt croissant pour les alliages de brasure au bismuth : le bismuth déménage !

Si vous n'avez pas encore entendu parler des alliages de brasure contenant du bismuth (Bi), vous en entendrez parler dans un avenir proche. Les alliages de brasure contenant du bismuth ayant un point de fusion bas sont maintenant utilisés de façon croissante et gagnent en popularité en raison de leurs faibles températures de fusion - 58Bi/42Sn est eutectique à 138 °C et 57Bi/42Sn/1Ag fond à 137-139 °C (les deux étant des alternatives sans plomb).

Une brasure à basse température est avantageuse par rapport à des alliages à température de fusion élevée parce que les exigences en matière de procédés à basse température peuvent réduire à la fois les dommages thermiques et les coûts globaux. Les défaillances telles que le décomplexage ou le " pop-Corning " peuvent être minimisées ou éliminées en utilisant des brasures à basse température. Les modes de défaillance de décomplexage ou de pop-Corning se produisent dans des dispositifs sensibles à l'humidité (MSD en anglais) lorsque l'humidité diffusée dans les composants en matières plastiques se développe rapidement lors du chauffage. Ces alliages à température plus basse sont également intéressants pour une utilisation avec des composants sensibles à la température, avec un procédé de brasure par étape, ou de réparation.

Le métal de base pour la plupart des brasures est l'étain, qui fond à 232 °C. Un certain nombre d'éléments d'alliage sont utilisés pour abaisser la température de fusion de l'alliage. Les éléments Ga, In, Bi, Cd et sont efficaces pour réduire la température de fusion des alliages de soudure. Cependant, le cadmium n'est pas souvent considéré en raison de sa toxicité. Les alliages contenant du gallium ne sont pas pratiques car ils sont pratiquement liquides à la température ambiante ou légèrement au-dessus. Il reste le bismuth et l'indium en tant que candidats pour des alliages de brasage à basse température à base d'étain. L'indium et le bismuth offrent tous deux des propriétés physiques uniques.

L'alliage BiSnAg a une température de fusion plus basse que les brasures classiques à base d'étain-plomb (Sn63 / Pb37 ou Sn63 eutectique - 183 °C), mais elle est encore assez élevée dans de nombreux cas pour résister à la température de fonctionnement des produits finis. De plus, ses propriétés mécaniques sont similaires au Sn63, mais cet alliage à braser ne contient pas de plomb. L'alliage est quasi-eutectique à 137-139 °C.

Étant donné qu'une température de refusion de 20 à 40 °C au-dessus de liquidus est généralement recommandée, l'alliage BiSnAg ne nécessite qu'une température maximale dans un procédé de refusion d'environ 180 °C. L'assemblage Sn63 nécessite généralement 205-215 °C (ou plus si refusion de boîtiers à billes sans plomb- 225-230 ° C), et des températures de procédé de 240-245 °C sont fréquentes pour des assemblages sans plomb.

Le travail effectué par HP (bisnag_strength_and_fatigue___hp.pdf) sur la résistance au cisaillement, la résistance au fluage, la résistance à la fatigue et d'autres essais mécaniques montre que le BiSnAg a des propriétés approchant ou dépassant le Sn63 dans la plupart des conditions, y compris une résistance raisonnable jusqu'à 90 °C.

Il y a certaines réelles inquiétudes avec des alliages contenant du bismuth.

Une des principales préoccupations est que le bismuth a tendance à être assez fragile et d'autre part, s'il est utilisé dans une application où le plomb est présent, il peut former un eutectique à bas point de fusion à 96 °C. La formation d'un eutectique à bas point de fusion était une préoccupation majeure lorsque l'industrie a commencé à entrer dans l'ère du sans plomb ; la plupart des assemblages n'étaient que partiellement sans plomb et la contamination au plomb était une préoccupation réelle. Au fur et à mesure de cette transition, cette situation est ensuite devenue beaucoup moins problématique ; les matériaux contenant du bismuth sont aujourd'hui une option plus viable.

L'accent est mis ici surtout sur la composition BiSnAg parce que, dès le début, HP a observé que de petites ajouts d'Ag (ou Au) augmentait la durée de vie en fatigue thermique de l'alliage eutectique BiSn.

Entre -25 ° et 75 °C (BiSnAg), tous les assemblages ont survécu 7.000 cycles thermiques, et effectivement ont surpassé Sn63. La fatigue thermique du BiSnAg est comparable ou supérieure au Sn63 (même dans la plage de 0 à 100 °C et en l'absence de contamination par le Pb). HP suggéra que l'argent peut diminuer la taille des grains et stabiliser la microstructure ; une microstructure plus fine est généralement idéale pour de meilleures propriétés mécaniques (bisnag_low_temperature_solder_hp.pdf).

Dans mon prochain message, je vais partager certaines des informations de synthèse à considérer lors de l'utilisation d'un alliage BiSnAg dans les procédés CMS.