Wenn Sie in letzter Zeit noch nichts von Bi-haltigen (Wismut-) Lötlegierungen gehört haben, könnte sich das in naher Zukunft ändern. Niedrigschmelzende Bi-haltige Lote werden jetzt immer häufiger verwendet und erfreuen sich aufgrund ihrer niedrigeren Schmelztemperaturen zunehmender Beliebtheit - 58Bi/42Sn ist bei 138°C eutektisch und 57Bi/42Sn/1Ag schmilzt bei 137-139°C (beides sind Pb-freie Alternativen).
Ein Niedrigtemperaturlot ist gegenüber Legierungen mit höherer Schmelztemperatur vorteilhaft, da durch die geringeren Temperaturanforderungen bei der Verarbeitung sowohl thermische Schäden als auch die Gesamtkosten reduziert werden können. Defekte wie Delamination oder "Pop-corning" können durch die Verwendung von Loten mit niedrigeren Temperaturen minimiert oder beseitigt werden. Delaminierung oder Popcorning treten bei feuchtigkeitsempfindlichen Bauteilen auf, wenn sich Feuchtigkeit, die in die Kunststoffkomponenten eingedrungen ist, bei Erwärmung schnell ausdehnt. Diese Niedrigtemperaturlegierungen sind auch für den Einsatz bei temperaturempfindlichen Bauteilen, beim Stufenlötverfahren oder bei der Nacharbeit interessant.
Das Grundmetall für die meisten Lote ist Zinn, das bei 232oCschmilzt. Eine Reihe von Legierungselementen wird verwendet, um die Schmelztemperatur der Legierung zu senken. Ga, In, Bi und Cd können die Schmelztemperatur von Lötlegierungen wirksam senken. Cd wird jedoch aufgrund seiner Toxizität oft nicht berücksichtigt. Galliumhaltige Legierungen sind nicht praktikabel, da sie in der Regel bei Raumtemperatur oder etwas darüber flüssig sind. Somit bleiben Wismut und Indium als Legierungskandidaten für Niedrigtemperatur-Lötlegierungen auf Zinnbasis übrig. Indium und Bismut haben beide einzigartige physikalische Eigenschaften.
Die BiSnAg-Legierung hat eine niedrigere Schmelztemperatur als die üblichen Zinn-Blei-Lote (Sn63/Pb37 oder Sn63-eutektisch - 183oC), die jedoch in vielen Fällen hoch genug ist, um die Betriebstemperatur der fertigen Produkte zu überstehen. Darüber hinaus sind die mechanischen Eigenschaften ähnlich wie bei Sn63, aber diese Lotlegierung enthält kein Blei. Die Legierung ist bei 137-139°C nahezu eutektisch. Da in der Regel eine Reflow-Temperatur von 20-40oCüber dem Liquidus empfohlen wird, benötigt die BiSnAg-Legierung dennoch nur eine maximale Reflow-Verarbeitungstemperatur von etwa 180°C. Für die Sn63-Bestückung sind im Allgemeinen 205-215 °C erforderlich (oder höher, wenn Pb-freie BGAs reflowt werden - 225-230 °C), und für die Pb-freie Bestückung sind Prozesstemperaturen von 240-245 °C üblich.
Die von HP durchgeführten Arbeiten(bisnag_strength_and_fatigue___hp.pdf) zu Scherfestigkeit, Kriechfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und anderen mechanischen Tests zeigen, dass BiSnAg unter den meisten Bedingungen Eigenschaften aufweist, die denen von Sn63 nahe kommen oder diese übertreffen, einschließlich einer angemessenen Festigkeit bis zu 90 °C.
Bei wismuthaltigen Legierungen gibt es einige echte Probleme. Eines der Hauptprobleme ist, dass Bi dazu neigt, ziemlich spröde zu sein, und zweitens, wenn es in einer Anwendung verwendet wird, in der Blei vorhanden ist, ein niedrigschmelzendes Eutektikum bei 96°C bilden kann. Die Bildung eines niedrig schmelzenden Eutektikums war ein großes Problem, als die Industrie den Übergang zum bleifreien Bereich vollzog; die meisten Baugruppen waren nur teilweise bleifrei und die Bleikontamination war ein echtes Problem. Mit dem Fortschreiten der Umstellung hat sich diese Situation deutlich entspannt; heute sind bi-haltige Materialien eine praktikablere Option.
Das Hauptaugenmerk lag hier auf der BiSnAg-Zusammensetzung, da HP schon früh feststellte, dass geringe Zusätze von Ag (oder Au) die thermische Ermüdungslebensdauer der eutektischen BiSn-Legierung erhöhten. Bei -25° bis 75°C (BiSnAg) überlebten alle Baugruppen 7.000 thermische Zyklen und übertrafen sogar die Leistung von Sn63. Die thermische Ermüdung von BiSnAg ist mit der von Sn63 vergleichbar oder ihr sogar überlegen (sogar im Bereich von 0-100°C und ohne Pb-Kontamination). HP vermutet, dass Ag die Korngröße verringern und das Gefüge stabilisieren kann; ein feineres Gefüge ist in der Regel ideal für bessere mechanische Eigenschaften(bisnag_low_temperature_solder_hp.pdf).
Im nächsten Beitrag werde ich einige der zusammenfassenden Informationen mitteilen, die bei der Verwendung von BiSnAg-Legierungen im SMT-Prozess zu beachten sind
