Nếu gần đây bạn chưa nghe nói về các hợp kim hàn chứa Bi (bismuth), thì điều đó có thể sẽ thay đổi trong tương lai gần. Các loại hàn chứa Bi có nhiệt độ nóng chảy thấp hiện đang được sử dụng ngày càng nhiều và trở nên phổ biến nhờ nhiệt độ nóng chảy thấp hơn — hợp kim 58Bi/42Sn đạt điểm eutectic ở 138°C và hợp kim 57Bi/42Sn/1Ag nóng chảy ở 137–139°C (cả hai đều là các lựa chọn thay thế không chứa chì).
Chất hàn nhiệt độ thấp có ưu điểm hơn so với các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao hơn vì yêu cầu gia công ở nhiệt độ thấp hơn có thể giảm thiểu cả hư hỏng do nhiệt và chi phí tổng thể. Các khuyết tật như bong tróc hoặc hiện tượng “pop-corning” có thể được giảm thiểu hoặc loại bỏ bằng cách sử dụng hợp kim hàn nhiệt độ thấp. Các hiện tượng hỏng hóc do bong tróc hoặc pop-corning xảy ra trong các thiết bị nhạy cảm với độ ẩm (MSD) khi hơi ẩm đã thấm vào các thành phần nhựa giãn nở nhanh chóng khi được gia nhiệt. Các hợp kim nhiệt độ thấp này cũng rất phù hợp để sử dụng với các linh kiện nhạy cảm với nhiệt độ, quy trình hàn từng bước hoặc sửa chữa lại.
Kim loại cơ bản trong hầu hết các loại hàn là thiếc, có nhiệt độ nóng chảy là232°C. Một số nguyên tố hợp kim được sử dụng để làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hợp kim. Ga, In, Bi và Cd đều có hiệu quả trong việc giảm nhiệt độ nóng chảy của hợp kim hàn. Tuy nhiên, Cd thường không được xem xét do tính độc hại của nó. Các hợp kim chứa gallium không thực tế vì chúng thường ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn một chút. Điều này khiến bismuth và indium trở thành các nguyên tố hợp kim tiềm năng cho các hợp kim hàn dựa trên thiếc có nhiệt độ nóng chảy thấp. Cả indium và bismuth đều mang lại các tính chất vật lý độc đáo.
Hợp kim BiSnAg có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với các loại hàn thiếc-chì tiêu chuẩn (Sn63/Pb37 hoặc Sn63 eutectic –183°C), song trong nhiều trường hợp, nhiệt độ này vẫn đủ cao để chịu được nhiệt độ hoạt động của sản phẩm hoàn thiện. Ngoài ra, các tính chất cơ học của nó tương tự như Sn63, nhưng hợp kim hàn này không chứa chì. Hợp kim này gần đạt trạng thái eutectic ở 137–139°C. Do nhiệt độ hàn lại thường được khuyến nghị cao hơn nhiệt độ lỏng khoảng20–40°C, nên hợp kim BiSnAg vẫn chỉ yêu cầu nhiệt độ xử lý hàn lại tối đa khoảng 180°C. Việc lắp ráp bằng Sn63 thường yêu cầu nhiệt độ 205–215°C (hoặc cao hơn nếu hàn lại các BGA không chứa chì – 225–230°C), và nhiệt độ xử lý 240–245°C là phổ biến đối với lắp ráp không chứa chì.
Các thử nghiệm do HP thực hiện về độ bền cắt, khả năng chống trôi, khả năng chống mỏi và các thử nghiệm cơ học khác cho thấy BiSnAg có các tính chất tiệm cận hoặc vượt trội so với Sn63 trong hầu hết các điều kiện, bao gồm cả độ bền hợp lý ở nhiệt độ lên đến 90°C.
Có một số lo ngại thực sự liên quan đến các hợp kim chứa bismuth. Một trong những lo ngại chính là Bi có xu hướng khá giòn và thứ hai, nếu được sử dụng trong các ứng dụng có chứa chì, nó có thể tạo thành hỗn hợp eutectic có nhiệt độ nóng chảy thấp ở 96°C. Việc hình thành hợp kim eutectic có nhiệt độ nóng chảy thấp từng là mối lo ngại lớn khi ngành công nghiệp lần đầu tiên chuyển sang lĩnh vực không chì; hầu hết các bộ phận lắp ráp chỉ loại bỏ chì một phần và ô nhiễm chì là một vấn đề thực sự đáng lo ngại. Khi quá trình chuyển đổi tiến triển, tình trạng này đã trở nên ít gây lo ngại hơn nhiều; ngày nay, các vật liệu chứa Bi là một lựa chọn khả thi hơn.
Phần lớn sự chú ý ở đây tập trung vào thành phần BiSnAg bởi vì, ngay từ đầu, HP đã nhận thấy rằng việc bổ sung một lượng nhỏ Ag (hoặc Au) đã làm tăng tuổi thọ mỏi nhiệt của hợp kim eutectic BiSn. Trong khoảng nhiệt độ từ -25° đến 75°C (BiSnAg), tất cả các cụm linh kiện đều chịu được 7.000 chu kỳ nhiệt và thực tế còn vượt trội hơn so với Sn63. Độ bền mỏi nhiệt của BiSnAg tương đương hoặc vượt trội so với Sn63 (ngay cả trong phạm vi 0-100°C và trong điều kiện không có ô nhiễm Pb). HP đã đề xuất rằng Ag có thể làm giảm kích thước hạt và ổn định cấu trúc vi mô; cấu trúc vi mô mịn hơn thường là lý tưởng để có được các tính chất cơ học tốt hơn.
Trong bài viết tiếp theo, tôi sẽ chia sẻ một số thông tin tóm tắt cần lưu ý khi sử dụng hợp kim BiSnAg trong quy trình SMT
