Se di recente non avete sentito parlare di leghe di saldatura contenenti Bi (bismuto), la situazione potrebbe cambiare nel prossimo futuro. Le saldature a basso punto di fusione contenenti Bi sono sempre più utilizzate e stanno guadagnando popolarità grazie alle loro temperature di fusione più basse: 58Bi/42Sn sono eutettiche a 138°C e 57Bi/42Sn/1Ag fondono a 137-139°C (entrambe sono alternative senza Pb).
Le saldature a bassa temperatura sono vantaggiose rispetto alle leghe a più alta temperatura di fusione, perché i requisiti di lavorazione a bassa temperatura possono ridurre sia i danni termici che i costi complessivi. Difetti come la delaminazione o il "pop-corning" possono essere ridotti al minimo o eliminati utilizzando saldature a bassa temperatura. La delaminazione o il pop-corning si verificano nei dispositivi sensibili all'umidità (MSD) quando l'umidità che si è diffusa nei componenti in plastica si espande rapidamente al momento del riscaldamento. Queste leghe a bassa temperatura sono interessanti anche per l'uso con componenti sensibili alla temperatura, per il processo di saldatura a passo o per la rilavorazione.
Il metallo base della maggior parte delle saldature è lo stagno, che fonde a 232oC. Per abbassare la temperatura di fusione della lega si utilizzano diversi elementi di lega. Ga, In, Bi e Cd sono efficaci per ridurre la temperatura di fusione delle leghe di saldatura. Tuttavia, il Cd non viene spesso preso in considerazione a causa della sua tossicità. Le leghe contenenti gallio non sono pratiche in quanto sono tipicamente liquide a temperatura ambiente o leggermente superiore. Rimangono quindi il bismuto e l'indio come candidati leganti per le leghe di saldatura a base di stagno a bassa temperatura. L'indio e il bismuto offrono entrambi proprietà fisiche uniche.
La lega BiSnAg ha una temperatura di fusione inferiore a quella delle saldature standard a base di stagno e piombo (Sn63/Pb37 o Sn63eutettico - 183oC), ma in molti casi è sufficientemente alta da resistere alla temperatura operativa dei prodotti finiti. Inoltre, le sue proprietà meccaniche sono simili a quelle dello Sn63, ma questa lega di saldatura non contiene piombo. La lega è quasi eutettica a 137-139°C. Poiché in genere si raccomanda una temperatura di riflusso di 20-40°Cal di sopra del liquido, la lega BiSnAg richiede comunque una temperatura massima di riflusso di circa 180°C. L'assemblaggio Sn63 richiede in genere 205-215°C (o una temperatura più elevata se si rifluiscono i BGA senza Pb - 225-230°C), mentre le temperature di processo di 240-245°C sono comuni per l'assemblaggio senza Pb.
I test condotti da HP sulla resistenza al taglio, alla scorrimento e alla fatica, nonché altre prove meccaniche, dimostrano che il BiSnAg presenta proprietà simili o superiori a quelle dello Sn63 nella maggior parte delle condizioni, compresa una resistenza adeguata fino a 90 °C.
Le leghe contenenti bismuto destano alcune preoccupazioni. Una delle preoccupazioni principali è che il Bi tende a essere piuttosto fragile e, in secondo luogo, se utilizzato in un'applicazione in cui è presente il piombo, può formare un eutettico a bassa fusione a 96°C. La formazione di un eutettico a bassa fusione è stata una delle principali preoccupazioni quando l'industria ha iniziato a passare al settore dell'assenza di piombo. La formazione di un eutettico a bassa fusione era una delle principali preoccupazioni quando l'industria ha iniziato a passare al settore senza piombo; la maggior parte degli assemblaggi era solo parzialmente priva di piombo e la contaminazione da piombo era una preoccupazione reale. Con il progredire della transizione, questa situazione è diventata molto meno problematica; oggi i materiali bi-contenuti sono un'opzione più praticabile.
L’attenzione si è concentrata principalmente sulla composizione BiSnAg poiché, sin dall’inizio, HP aveva osservato che piccole aggiunte di Ag (o Au) aumentavano la resistenza alla fatica termica della lega eutettica BiSn. A temperature comprese tra -25° e 75°C (BiSnAg), tutti i gruppi hanno superato 7.000 cicli termici, dimostrando prestazioni addirittura superiori a quelle dello Sn63. La resistenza alla fatica termica del BiSnAg è paragonabile o superiore a quella dello Sn63 (anche nell’intervallo compreso tra 0 e 100 °C e in assenza di contaminazione da Pb). HP ha ipotizzato che l’Ag possa ridurre la dimensione dei grani e stabilizzare la microstruttura; una microstruttura più fine è in genere l’ideale per ottenere migliori proprietà meccaniche.
Nel prossimo post condividerò alcune delle informazioni sintetiche da considerare quando si utilizza la lega BiSnAg nel processo SMT.
