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].

STAL_11-12_23_Wojciech_Kowalski_PRZEMIANY_ALOTROPOWE_WLASCIWOSCI_FIZYKOCHEMICZNE_CYNY_RYS_1_A
Rys. 1a. Struktury krystaliczne odmian alotropowych cyny β-Sn [2]; rysunek: autor
STAL_11-12_23_Wojciech_Kowalski_PRZEMIANY_ALOTROPOWE_WLASCIWOSCI_FIZYKOCHEMICZNE_CYNY_RYS_1_B
Rys. 1b. Struktury krystaliczne odmian alotropowych cyny α-Sn [2]; rysunek: autor

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.

STAL_11-12_23_Wojciech_Kowalski_PRZEMIANY_ALOTROPOWE_WLASCIWOSCI_FIZYKOCHEMICZNE_CYNY_RYS_2
Rys. 2. Zaraza cynowa na irlandzkich monetach z XVII w. [3]; zdjęcie: autor

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].

STAL_11-12_23_Wojciech_Kowalski_PRZEMIANY_ALOTROPOWE_WLASCIWOSCI_FIZYKOCHEMICZNE_CYNY_RYS_3
Rys. 3. Wzrost fazy α-Sn w wyniku przemiany β → α w temperaturze -40°C [5]; zdjęcia: autor

Robo Challenge: zaprogramuj robota!

Tegoroczna, czwarta już edycja Robo Challenge odbędzie się dniach 9 oraz 10 października 2024 r. we Wrocławiu. Wydarzenie to wielowymiarowa przestrzeń wymiany doświadczeń i kontaktów z zakresu automatyki i robotyki przemysłowej. ...

Partner kategorii:

Ekologiczna stal pozyskiwana z odpadów!

O ekologicznej produkcji stali mówi się w ostatnim czasie coraz więcej. Zazwyczaj odnosi się ona do kwestii emisji gazów cieplarnianych, uwalnianych podczas produkcji. Tym razem doniesienia naukowców mówią o samych materiałach, wykorzystywanych podczas wytwarzania stali.

nitonakretki-i-nitotrzpienie-zalety-uzycia-w-montazu

Zalety użycia nitonakrętek i nitotrzpieni w montażu

Nitonakrętki i nitotrzpienie to elementy złączne, które służą do trwałego lub półtrwałego łączenia różnych materiałów. Dowiedz się, jakie konkretnie zastosowanie mają nitonakrętki i nitotrzpienie w montażu i dlaczego warto wykorzyst...

Partner kategorii:

Politechnika Krakowska ma nowe laboratorium

25 kwietnia na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej odbyło się uroczyste otwarcie Laboratorium Ultraprecyzyjnych Pomiarów Współrzędnościowych. Politechnika Krakowska zyskała nowoczesne laboratorium, które umożliwia bard...

program-wydarzen-targow-modernlog-2024-fot-1

Targi Modernlog 2024 – poznaj program wydarzeń!

Tegoroczne wydarzenie z udziałem liderów i ekspertów branży logistycznej to zapowiedź nadchodzących innowacji. Spotkania z kluczowymi przedstawicielami rynku, strefy tematyczne, panele dyskusyjne oraz pokazy pracy maszyn na żywo. Zobacz, co przygotowaliśmy dla naszych gości!  ...

Partner kategorii:

Co trzeci przetwórca tworzyw sztucznych inwestuje w park maszyn i urządzeń

Polskie przedsiębiorstwa przetwarzające tworzywa sztuczne zwiększyły swoją zdolność do konkurowania. Świadczy o tym wzrost sub-indeksu MiU dla tej branży o 6,15 pkt. Jest to efekt m.in. zwiększenia nakładów na modernizację parku maszyn i urządzeń (MiU) oraz automatyzację pro...

STAL_5-6_24_obrobka_rozmowa_ze_Zbigniewem_Parterem_iStock-875273138

Przyszłość obróbki plastycznej metali w Polsce

Przemysł metalurgiczny stoi dziś przed niejednym wyzwaniem. O radzeniu sobie z nimi opowiada rektor Politechniki Lubelskiej prof. dr hab. inż. Zbigniew Pater, specjalista w zakresie obróbki plastycznej metali. Joanna Miśk...

Metody łamania wiórów w obróbce skrawaniem – cz. II

Z artykułu dowiesz się: jakie są sposoby łamania wiórów;od czego zależy wybór metody łamania;jakie są wady i zalety poszczególnych metod. Dobór odpowiedniej metody łamania...

Polska strategia cyfryzacji: czy przemysł skorzysta z 5G?

Polska potrzebuje nowej strategii cyfryzacji, w której zawarty zostanie plan rozwoju infrastruktury technologii informacyjno-komunikacyjnych (ICT). Powinien on zostać dostosowany do możliwości i potrzeb krajowych - ocenili eksperci podczas XVI Europejskiego Kongresu Gospodar...

dekarbonizacja-procesow-budowlanych-projekt-ios-pib-i-osbn-fot-1

Niskoemisyjna i naturalna przyszłość branży budowlanej

Ograniczanie emisji CO2 w branży budowlanej staje się koniecznością – wymaga tego osiągnięcie neutralności klimatycznej w 2050 r. Nie uda się to bez upowszechnienia w budownictwie naturalnych materiałów i technologii oraz zasad Gospodarki Obiegu Zamkniętego (GOZ), czyli ponown...

STAL_5-6_24_KOMPAKTOWA_STACJA_DO_SPAWANIA_LASEROWEGO_FOT_4

TruLaser Station 7000. Kompaktowa stacja do spawania laserowego 3D

Firma TRUMPF jest znanym i cenionym na świecie producentem maszyn do obróbki blach (m.in.: wykrawanie, gięcie, jak również cięcie i spawanie laserowe), różnego typu rezonatorów laserowych do obróbki materiałów oraz zaawansowanej elektroniki. Bazując na rozwijanej przez dekad...

STAL_5-6_24_Karol_Frydrych_SPD_POPRAWA_WLASCIWOSCI_MECHANICZNYCH_MATERIALOW_iStock-1757332858
Partner kategorii:

O spajalności stali bainitycznych: nanostrukturalne stale bainityczne

Z artykułu dowiesz się: czym są stale nanobainityczne;jakie są ich zalety oraz ograniczenia;gdzie można je wykorzystać. Ze względu na doskonałą kombinację właściwości wytr...

MFiPR: Powstanie Społeczny Fundusz Klimatyczny z budżetem 50 mld zł na inwestycje w energetykę

Nowelizacja ustawy o zasadach prowadzenia polityki rozwoju, przyjęta przez Sejm 15 maja br., po wejściu w życie, da podstawy do wdrażania Społecznego Funduszu Klimatycznego. W jego ramach dostępnych będzie aż 50 mld zł na inwestycje w energetykę. Kto będzie mógł ubiegać się ...

logo-na-elewacji-zmora-kierownika-budowy-i-gw-fot-3

Logo na elewacji – zmora Kierownika Budowy i GW

W branży budowlanej, zwłaszcza w przypadku budynków przemysłowych, takich jak hale i obiekty wielkopowierzchniowe oznakowania są tak samo istotne jak pozostałe elementy wyposażenia. Jednak, gdy nadchodzi moment umieszczenia logo na ...

STAL_5-6_24_Wojciech_Kowalski_APERIODYCZNE_STRUKTURY_W_STOPACH_METALI_iStock-1480039441
Partner kategorii:

Kwazikryształy – aperiodyczne struktury w stopach metali

Z artykułu dowiesz się: czym są kwazikryształy;jakimi cechami się charakteryzują;gdzie mogą znaleźć zastosowanie. 5 października 2011 roku izraelski badacz Dan Shechtman o...

zainteresowanie-wynajeciem-magazynow-sbu-w-warszawie

W kolejce po miejskie magazyny

Stolica jest świetnym miejscem na lokowanie obiektów typu small business units (SBU). I chociaż od wielu lat – małe, dające się elastycznie łączyć powierzchnie magazynowe są trendem, o którym się dużo mówi, to w Warszawie na atrakcyjną powierzchnię typu SBU trzeba czekać nawet...

Relacje

Katalog produktów

Sklep

STAL Metale & Nowe Technologie 1-2/24

STAL Metale & Nowe Technologie 1-2/24

Zamów
Nowoczesne Hale 1/2024

Nowoczesne Hale 1/2024

Zamów
Utrzymanie Ruchu 1/2024

Utrzymanie Ruchu 1/2024

Zamów
Fastener 1/2023

Fastener 1/2023

Zamów
Metody diagnostyki maszyn i urządzeń w predykcyjnym utrzymaniu ruchu

Metody diagnostyki maszyn i urządzeń w predykcyjnym utrzymaniu ruchu

Zamów
Rozwiązania energooszczędne wykorzystywane w budownictwie wielkopowierzchniowym (e-book)

Rozwiązania energooszczędne wykorzystywane w budownictwie wielkopowierzchniowym (e-book)

Zamów
Gwinty - rodzaje, wymiary, podstawowe obliczenia

Gwinty - rodzaje, wymiary, podstawowe obliczenia

Zamów
Koła zębate – projektowanie, wytwarzanie, pomiary, eksploatacja

Koła zębate – projektowanie, wytwarzanie, pomiary, eksploatacja

Zamów
Inżynieria doskonałości w procesach biznesowych. Przewodnik po teorii i dobrych praktykach

Inżynieria doskonałości w procesach biznesowych. Przewodnik po teorii i dobrych praktykach

Zamów
Metrologia. Wybrane zagadnienia (e-book)

Metrologia. Wybrane zagadnienia (e-book)

Zamów
Przewodnik po technologiach przemysłu 4.0

Przewodnik po technologiach przemysłu 4.0

Zamów
Vademecum projektanta. Budownictwo halowe (e-book)

Vademecum projektanta. Budownictwo halowe (e-book)

Zamów
Poznaj nasze serwisy

Nasze strony wykorzystują pliki cookies. Korzystanie z naszych stron internetowych bez zmiany ustawień przeglądarki dotyczących plików cookies oznacza, że zgadzacie się Państwo na umieszczenie ich w Państwa urządzeniu końcowym. Więcej szczegółów w Polityce prywatności.