Wpływ przemian alotropowych na właściwości fizykochemiczne cyny

Warunki zewnętrzne na powstawanie zarazy cynowej

Na szybkość przemiany β → α i tym samym powstawanie zarazy cynowej mają wpływ również warunki zewnętrzne, takie jak naprężenia oraz domieszkowanie [10]. Do badań wybrano stop Sn-99%Cu-1%, który – co w późniejszych badaniach potwierdzono za pomocą spektroskopii Mössbauera [4] – wykazywał największą podatność na tworzenie się zarazy cynowej. W próbkach w kształcie walca o średnicy 10 mm i wysokości 7 wywiercono otwory o średnicy 1,5 mm w celu wprowadzenia materiału mającego przyspieszyć reakcję β → α. Podobnie jak w [4], i tym razem zastosowano stopy o takiej samej bądź zbliżonej strukturze krystalicznej. Sproszkowane kryształy α-Sn, InSb oraz CdTe zostały mechanicznie wciśnięte do próbki z białej β-cyny w celu zainicjowania i przyspieszenia reakcji przemiany β → α.

Czytaj też >> Konkurencyjność firm. Są nowe badania.

Powierzchnie próbek zostały wyczyszczone za pomocą roztworu HCl w celu usunięcia zanieczyszczeń (głownie tlenku cyny). Tak przygotowane próbki zostały następnie poddane ściskaniu na prasie pod naciskiem 30 kN, aby wytworzyć naprężenia podobne do tych pojawiających się w obwodach elektronicznych. Po obróbce mechanicznej próbki były przechowywane w temperaturach -18°C oraz -30°C przez 7 dni.

Analiza próbek

Wyniki badań pokazały, że zarówno obróbka mechaniczna (prasowanie pod naciskiem 30 kN), jak i wprowadzenie zarodków kryształów o takich samych strukturach znacznie przyspiesza przemianę β → α. Usunięcie tlenków z powierzchni próbek także poprawia szybkość reakcji, gdyż oba materiały – β-cyna i domieszka – lepiej do siebie przylegają. Na szybkość reakcji kluczowy wpływ ma temperatura. W przypadku próbek przechowywanych przez 7 dni w temperaturze -30°C reakcja zachodzi znacznie szybciej niż w przypadku tych samych próbek przechowywanych w temperaturze -18°C przez ten sam okres. Reakcja zachodzi najszybciej dla próbek domieszkowanych α-Sn i przechowywanych w -30°C, podczas gdy dla tych samych próbek przechowywanych w -18°C szybkość przemiany β → α jest zbliżona do szybkości przemiany próbek domieszkowanych InSb.

Wnioski z badań cyny

Zaraza cynowa powstaje w czystej cynie w temperaturach poniżej przemiany alotropowej β → α, tj. 13,2°C, jednakże jest to przemiana przebiegająca bardzo powoli. Znacznie szybciej może ona powstać, gdy do układu wprowadzone zostaną zarodki z metali lub stopów o takiej samej strukturze jak α-Sn. Ponadto zaraza cynowa powstaje znacznie szybciej, jeżeli obniżymy temperaturę układu od -30°C do -40°C. Aby zapobiec powstawaniu zarazy cynowej, stosuje się dodatki stopowe.

Do niedawna najczęściej stosowano ołów, jednakże po wprowadzeniu dyrektywy RoHS w lipcu 2006 roku ołów (jako materiał toksyczny) nie jest już stosowany [1]. W ostatnich latach poczyniono wiele badań nad bezołowiowymi stopami lutowniczymi do zastosowań w elektronice [2, 4, 8-10]. Badania te wykazały, iż takie pierwiastki jak Ag i Cu w odpowiednich proporcjach skutecznie hamują rozwój zarazy cynowej oraz tzw. wąsów cynowych. W tym przypadku najlepsze okazały się stopy Sn z dodatkiem 2-3% Cu oraz Ag (już od 0,3%) [4]. Obecnie w przemyśle elektronicznym stosuje się luty bezołowiowe SnAg_3,5 oraz SnCu_0,7.

Galeria

Zobacz więcej