Leghe senza piombo

 

Una lega per brasatura senza piombo per essere accettabile deve soddisfare sia a dei requisiti di processo che a delle caratteristiche di affidabilità. Idealmente, dovrebbe essere adatta a dei processi di produzione di massa sia nella tecnologia “pin through hole”, sia nelle tecnologie di montaggio superficiale. Le tecnologie che attualmente utilizzano le leghe Pb-Sn devono essere adattabili alle nuove leghe senza grandi cambiamenti. La bagnabilità delle nuove leghe dovrebbe essere equivalente o maggiore di quella delle leghe Pb-Sn, la temperatura di fusione deve essere confrontabile con quella del sistema Pb-Sn. Inoltre sono richieste resistenza al creep e alla fatica, resistenza alla corrosione e costi accettabili.

Finora è stato proposto un gran numero di leghe per brasatura senza piombo: sono leghe binarie, ternarie e quaternarie, la maggior parte delle quali sono basate sullo stagno come maggior costituente. Altri elementi usati come costituente principale sono In e Bi. Come elementi in lega sono utilizzati Zn, Ag, Sb, Cu e Mg. Qui verranno analizzati i principali sistemi binari e qualche sistema ternario di particolare interesse.

 

Sistema Sn-Ag

 

      Questo sistema è particolarmente importante perché è generalmente riconosciuto come la prima scelta per una lega per brasatura senza piombo. Il sistema Sn-Ag presenta una composizione eutettica Sn-3.5%Ag e una temperatura eutettica di 221°C (fig. 4.1).

 

Fig. 4.1: Diagramma di stato Ag-Sn

 

      La microstruttura di questa lega è stata analizzata utilizzando il TEM [3]. La regione eutettica è composta da una fine dispersione di Ag3Sn in una matrice di b-Sn, che forma struttura a rete circondando grani di fase b-Sn primaria (presenti anche nella lega eutettica). Nella micrografia della fig. 4.2. si vedono la microstruttura eutettica e i grani di fase b-Sn.

 

Fig. 4.2: Micrografia della lega Ag-Sn eutettica

 

Questa microstruttura garantisce un buon legame interfacciale e porta a eccellenti proprietà meccaniche di questa lega. A causa dell’alta temperatura di fusione, superiore di quasi 40°C a quella della lega Pb-Sn eutettica, la lega Sn-3.5Ag non può sostituire quest’ultima in tutti i suoi campi di applicazione, ma rimane comunque un ottimo candidato per le alte temperature.

      Il sistema ternario Sn-Ag-Cu mostra una composizione eutettica Sn-3.7wt%Ag-0.9wt%Cu, ed una temperatura eutettica di 217°C (fig.4.3). L’aggiunta di Cu aumenta leggermente il contenuto di Ag nella composizione eutettica.

 

Fig. 4.3: Superficie di liquidus nel diagramma di stato Sn-Ag-Cu

 

      L’aggiunta di Bi in una lega Sn-Ag riduce notevolmente la temperatura di fusione e promuove la bagnabilità della lega sul rame. Poiché l’aggiunta di grandi quantità di Bi causa seri problemi di affidabilità, la massima quantità di Bi aggiunto è del 3wt% (eccetto che per la lega eutettica Sn-Bi, utilizzata in applicazioni speciali). La fig. 4.4 mostra la superficie di liquidus del diagramma di stato Sn-Ag-Bi. Con l’aumentare del contenuto di Bi, la composizione eutettica dell’Ag decresce fino all’eutettico ternario. Per prevenire la formazione di cristalli del fragile Ag3Sn primario, che degrada le proprietà meccaniche di questa lega, è necessario ridurre il contenuto di Ag all’aumentare del contenuto di Bi.

 

Fig. 4.4: Superficie di liquidus del diagramma di stato Sn-Ag-Bi

 

Sistema Bi-Sn

 

      La lega eutettica Bi-Sn (57%Bi-43%Sn) ha un punto di fusione di 139°C, che è significativamente più basso di quello della lega eutettica Sn-Pb (183°C). Questa lega è stata usata per un lungo periodo in applicazioni elettroniche che richiedevano basse temperature di brasatura. Dal diagramma di fase di fig.4.5 si può notare la bassa solubilità dello stagno nel Bi, mentre alla temperatura eutettica la solubilità del Bi nello Sn arriva al 21%. Raffreddando la lega, il Bi precipita nella fase di Sn. Per velocità di raffreddamento moderate, la microstruttura eutettica è lamellare, con dei precipitati a bordo grano.

Raffreddando lentamente si osserva la formazione di cricche al bordo grano. Un raffreddamento lento provoca la formazione di grani grossi, mentre lo stagno precipita dalla matrice lungo i bordi grano, lungo i quali si formano cricche. La formazione di cricche non si osserva per alte velocità di raffreddamento.

 

Fig. 4.5: Diagramma di stato Sn-Bi

 

Sistema Sn-Zn

 

      Il sistema Sn-Zn ha una composizione eutettica Sn-9%Zn ed una temperatura eutettica di 198°C, molto vicina a quella delle leghe Pb-Sn. La struttura eutettica di questa lega consiste di due fasi: una matrice di Sn tetragonale a corpo centrato e una fase di Zn esagonale che contiene meno dell’1% di stagno in soluzione solida. La microstruttura mostra grani grossi con una dispersione eutettica fine e uniforme. In questo sistema sia lo stagno che lo zinco interagiscono con il rame per formare fasi intermetalliche.

 

Fig. 4.6: Diagramma di stato Sn-Zn

 

Sistema In-Sn

 

      Le leghe In-Sn sono state usate per applicazioni di montaggio superficiale di componenti elettronici su circuiti stampati, soprattutto a causa delle basse temperature di fusione. La lega a base di indio con composizione In-48Sn è comunemente usata per questa applicazione. La composizione eutettica è In-49.1Sn e la temperatura eutettica è 117°C (fig. 4.7). Le due fasi che si formano sono fasi intermetalliche: una fase b ricca di In tetragonale a corpo centrato, che contiene il 44.8% di Sn, e una fase esagonale ricca di stagno, g, con il 77.6% di stagno. La fase ricca di Sn è composta da grani equiassici, mentre la fase ricca di In contiene precipitati di Sn.

 

Fig. 4.7: Diagramma di stato In-Sn

 

Leghe senza Pb in commercio

 

      In tab. 4.1 sono elencate le leghe per brasatura senza Pb sviluppate da un’ azienda che opera in questo settore, la AIM (http://www.aimsolder.com/). Insieme alla composizione, sono riportate la temperatura o l’intervallo di fusione, le applicazioni e la forma in cui viene venduta la lega.

 

 

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