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
Barometru Rynku Pracy

Technologia goni pracowników. Chcą wiedzieć więcej o AI, a firmy nie nadążają z edukacją.

Zaledwie 9% pracowników deklaruje, że nie wie, czym są automatyzacja i sztuczna inteligencja. 46,7% natomiast przyznaje, że chciałoby pogłębić swoją wiedzę w tym zakresie. Rosnące zainteresowanie technologiami idzie w parze z obawami. Od lęku przed brakiem kompetencji, przez ...

hałasu w zakładzie produkcyjnym
Partner kategorii:

Redukcja hałasu w przemyśle – wyzwanie wymagające kompleksowych działań

Hałas w zakładach przemysłowych pozostaje jednym z głównych czynników wpływających zarówno na komfort pracy, jak i na relacje zakładów z otoczeniem. Utrzymanie jego poziomu w akceptowalnych granicach to nie tylko wymóg prawny. Jest to przede wszystkim element budowania kultury...

STAL_5-6_25_FASTECH_EXPO_I_ALUMINIUM_TECH_EXPO_2025_INFO

Wrzesień pełen przemysłowych premier: FASTECH Expo i Aluminium Tech Expo 2025 w Ptak Warsaw Expo

Wrzesień 2025 roku zapowiada się jako miesiąc przełomowych wydarzeń dla branży przemysłowej w Polsce. Ptak Warsaw Expo w Nadarzynie stanie się areną dwóch kluczowych targów: FASTECH Expo oraz Aluminium Tech Expo. Targi te, choć odbywają się w różnych terminach, oferują unikaln...

metoda-fff-wytwarzanie-polaczen-wielowypustowych-rys-16
Partner kategorii:

Analiza wpływu modyfikacji geometrii na pasowanie połączeń wielowypustowych wytwarzanych z zastosowaniem metody FFF

Dokładność geometryczna jest jednym z fundamentalnych kwalifikatorów poprawności procesów wytwarzania części maszyn i urządzeń. Jest ona wynikiem wielu składowych, stanowiących o całościowym efekcie procesu produkcyjnego. W celu zape...

Inwestorzy

Inwestorzy wracają, ale selektywnie. Magazyny przyciągają kapitał, retail i biura szukają nowej równowagi

Raport firmy doradczej Savills Polska „Investment Market in Poland in H1 2025” pokazuje, że po umiarkowanym początku roku drugi kwartał przyniósł ożywienie na rynku inwestycyjnym w Polsce. Choć całkowity wolumen transakcji wciąż pozostaje poniżej średnich od 2020 roku. Inwesto...

STAL_11-12_20_technologie_ciecia_JAKOSC_PROCESU_CIECIA_LASEROWEGO_iStock-177007701
Partner kategorii:

Jakość procesu cięcia laserowego blach stalowych – wpływ zawartości krzemu i innych pierwiastków stopowych

Przeprowadzono analizę czynników i parametrów decydujących o jakości procesu cięcia laserowego. Zestawiono blachy stalowe o gwarantowanej przez producentów jakości cięcia laserowego laser grade steels. Opisano wpływ zawartości krzemu i innych pierwiastków stopowy...

w-procesie-tloczenia-metody-i-techniki-eliminacji-wad-rys-5

Metody i techniki eliminacji wad w procesie tłoczenia

Procesy kształtowania blach stalowych za pomocą obróbki plastycznej są jedną z wielu technik wytwarzania elementów metalowych stosowanych w przemyśle od lat, a mimo to wymagających rozwiązań niektórych problemów technologicznych pojawiających się przy kształtowaniu blach stalo...

vanadis-4-extra-frezowanie-stali-a-powierzchnia-obrabiana

Wpływ chłodziwa i oprawki narzędziowej na chropowatość powierzchni obrabianej w procesie frezowania stali Vanadis 4

Artykuł prezentuje wyniki badań eksperymentalnych procesu frezowania stali Vanadis 4 Extra w rożnych warunkach doprowadzenia chłodziwa do strefy obróbki oraz pokazuje, jak ważny jest dobór odpowiedniej oprawki narzędziowej do określonych zadań obróbkowych. ...

Barometru Rynku Pracy

Technologia goni pracowników. Chcą wiedzieć więcej o AI, a firmy nie nadążają z edukacją.

Zaledwie 9% pracowników deklaruje, że nie wie, czym są automatyzacja i sztuczna inteligencja. 46,7% natomiast przyznaje, że chciałoby pogłębić swoją wiedzę w tym zakresie. Rosnące zainteresowanie technologiami idzie w parze z obawami. Od lęku przed brakiem kompetencji, przez ...

zagadnienia-statecznosci-konstrukcji-wedlug-eurokodow

Wybrane problemy stateczności w projektowaniu konstrukcji według Eurokodów

Zagadnienia stateczności konstrukcji budowlanych stanowią jeden z trudniejszych działów mechaniki budowli, z którym projektanci konstrukcji zmagają się na co dzień. Niezależnie od tego, czy projektujemy klasyczną drewnianą więźbę dachową, stalową belkę podsuwnicową, czy też sł...

wycinarka-laserowa-na-co-warto-zwrocic-uwage-podczas zakupu

Jak zminimalizować ryzyko awarii wycinarki laserowej?

Aby zminimalizować ryzyko awarii wycinarki laserowej, warto stosować się do kilku dobrych praktyk, które obejmują zarówno szkolenie operatorów, jak i odpowiednią konserwację oraz kontrolę parametrów urządzenia.

analiza-ryzyka-maszyny-w-oparciu-o-norme-pn-en-iso-12100-2012-fot-2

Bezpieczeństwo maszyn. Analiza ryzyka w oparciu o normę PN-EN ISO 12100:2012

Maszyny dopuszczone do użytku na terenie Unii Europejskiej muszą spełniać wymagania tzw. dyrektywy maszynowej. Jednym z warunków jej spełnienia, umożliwiającym oznakowanie maszyny znakiem CE, jest wykonanie analizy ryzyka. Maszyny wp...

zloty-medal-targow-modernlog-2024-poznaj-laureatow

Znamy laureatów nagrody Złoty Medal targów MODERNLOG 2024

Poznaliśmy produkty wyróżnione prestiżową nagrodą Złotego Medalu na targach Logistyki, Magazynowania i Transportu MODERNLOG 2024 oraz ITM INDUSTRY EUROPE 2024. Laureaci zawalczą teraz o Złoty Medal Wybór Konsumentów. W minionym tygod...

igp-dura-one-56-i-igp-effectives-synergia-zapewniajaca-wysoka-wydajnosc-w-technologii-malowania-proszkowego
Partner kategorii:

IGP-DURA®one 56 i IGP-Effectives®: synergia zapewniająca wysoką wydajność w technologii malowania proszkowego

W branży farb proszkowych do ochrony powierzchni kluczowe znaczenie mają wydajność, zrównoważony rozwój i jednolity odcień. Firma IGP Powder Coatings podjęła znaczący krok w tym kierunku, łącząc serię niskotemperaturowych farb proszkowych IGP-DURA®one56 z unikalną technologią ...

polish-circular-forum-juz-17-czerwca-w-warszawie-fot-6

Nowa Mapa Drogowa dla GOZ nie może pomijać mniejszych przedsiębiorstw

Polskie przedsiębiorstwa potrzebują nowej, międzysektorowej Mapy Drogowej dla Gospodarki o Obiegu Zamkniętym (GOZ). Obecny dokument, choć kiedyś spełniał swoją rolę, wymaga aktualizacji. Musi sprostać rosnącym wyzwaniom, stojącym zwłaszcza przed małymi i średnimi przedsiębiors...

Relacje

Katalog produktów

Sklep

STAL Metale & Nowe Technologie 3-4/2025

STAL Metale & Nowe Technologie 3-4/2025

Zamów
Nowoczesne Hale 1/2024

Nowoczesne Hale 1/2024

Zamów
Utrzymanie Ruchu 1/2024

Utrzymanie Ruchu 1/2024

Zamów
Fastener 1/2024

Fastener 1/2024

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.