Wpływ przemian alotropowych na właściwości fizykochemiczne cyny

Z artykułu dowiesz się:

• jak wykorzystać właściwości cyny w przemyśle,
• jakie zagrożenia wiążą się z zastosowaniem cyny i jej stopów,
• w jaki sposób bezpiecznie stosuje się stopy cyny w przemyśle.

Cyna jest jednym z najczęściej wykorzystywanych materiałów w produkcji układów elektronicznych. Jest relatywnie tanim metalem, ma srebrzystą barwę i jest plastyczna. Jak wykorzystuje się ją w przemyśle?

Cyna utlenia się w powietrzu, tworząc dwutlenek cyny. Temperatura topnienia cyny wynosi 231,9°C, czyli jest wystarczająco wysoka dla większości warunków zastosowania, a jednocześnie umożliwiająca wygodną produkcję. Ponadto cyna ma względnie dobre parametry elektryczne i właściwości mechaniczne, zwłaszcza w przypadku stopu z ołowiem. Tak więc cyna jest powszechnie stosowana w stopach lutowniczych jako wykończenie powierzchni do nadruku płytek drukowanych (metoda SMD). Jest też wykorzystywana jako poszycie dla złącz przewlekanych (metoda THT).

Odmiany alotropowe cyny i powstawanie zarazy cynowej

Cyna jest alotropowa, co oznacza, że ​​ma różne struktury krystaliczne w różnych warunkach temperatury i ciśnienia (rys. 1). Biała β-Sn posiada stabilną tetragonalną strukturę krystaliczną o gęstości 7,31 g/cm³. Jest plastycznym, miękkim metalem o wysokiej przewodności cieplnej (66,8 W/m*K) i małej rezystywności (16 nΩ*m w 0°C). Szara α-Sn po schłodzeniu poniżej 13,2°C ma strukturę regularną i gęstość 5,77 g/cm³. Ta odmiana alotropowa cyny jest krucha i łamliwa oraz posiada właściwości półprzewodnikowe [1].

Zmiany strukturalne

Zmiana struktury z tetragonalnej w regularną pod wpływem obniżania temperatury ma szkodliwy wpływ na połączenia lutowane wykonane z cyny. To jest niedopuszczalne w produkcji układów elektronicznych. Zjawisko to znane jest pod pojęciem tin pest (w dosłownym tłumaczeniu: „zaraza cynowa”) (rys. 2). Zrozumienie, w jaki sposób powstaje zaraza cynowa, jest ważne dla oceny niezawodności układów elektronicznych.

Właściwości cyny wykorzystywane w przemyśle

Mimo iż większość urządzeń elektronicznych nie jest narażona na niskie temperatury przez dłuższy czas, w wielu gałęziach przemysłu, takich jak motoryzacyjny (np. ratraki), wojskowy (bazy wojskowe w regionach podbiegunowych), kosmiczny (satelity) i telekomunikacyjny (wieże telefonii komórkowej), elektronika musi być niezawodna we wszystkich temperaturach [1].

Szara α-Sn, którą określa się jako zaraza cynowa, jest krucha. Łatwo zmienia się w proszek i powoduje, że większość cynowych złączy się kruszy. Zaraza cynowa zwykle zarodkuje na krawędziach, w rogach lub na powierzchni. Chociaż może tworzyć się już poniżej 13,2°C, to większość badaczy uważa, że ​​kinetyka tworzenia się zarazy cynowej jest bardzo powolna w tej temperaturze. Wg danych literaturowych można wnioskować, że istnieje ogólna zgoda wśród badaczy, że maksymalna szybkość tworzenia się zarazy cynowej występuje w temperaturach od -30°C do -40°C [1, 2, 4-5, 8-10].

Przejście α-Sn jest procesem zarodkowania i wzrostu. Zarodkowanie jest pierwszym etapem tworzenia się nowej fazy lub nowej struktury poprzez samorozmieszczenie. Najpierw pojawia się nowa faza (α-Sn) w niektórych miejscach w metastabilnej fazie macierzystej (β-Sn) (rys. 3). Obecność niektórych rozpuszczalnych pierwiastków w matrycy cynowej, takich jak Pb, Bi i Sb, tłumi zjawisko β → α, podnosząc temperaturę przejścia fazowego. Jednak dodanie Cd, Au i Ag może całkowicie zahamować tę transformację. Z kolei nierozpuszczalne pierwiastki: Zn, Al, Mg i Mn przyspieszają przejście fazowe, obniżając temperaturę, podczas gdy Cu, Fe i Ni mają tylko niewielki wpływ [4].

Galeria

Zobacz więcej