Fino ad ora, lo stagno è ancora considerato il miglior materiale per la saldatura. Anche la pasta saldante senza piombo è composta principalmente da stagno e l’unica differenza risiede nell’assenza di piombo.
La temperatura di fusione dello stagno puro (Sn) è elevata, pari a 231,9°C, e risulta difficilmente accettabile per la saldatura nell’assemblaggio di PCB (Printed Circuit Board), poiché alcuni componenti elettronici non possono sopportare una temperatura così alta. Di conseguenza, è necessario aggiungere allo stagno in polvere una lega per saldatura che costituisce la maggior parte della pasta saldante, come ad esempio argento (Ag), indio (In), zinco (Zn), antimonio (Sb), rame (Cu), bismuto (Bi) ecc. Con l’aggiunta di questi metalli in tracce alla polvere di stagno, il punto di fusione della pasta saldante può essere ridotto, in modo che l’assemblaggio dei PCB possa essere realizzato in grandi quantità con un risparmio di energia.
L’altro obiettivo dell’aggiunta di metalli in tracce alla pasta saldante risiede nella sua funzione di migliorare le prestazioni delle sfere di saldatura, come la loro tenacità o resistenza, in modo che, dopo la saldatura, si possano ottenere proprietà perfette in termini di caratteristiche meccaniche, elettriche e di prestazioni termiche.
Ora, non è difficile capire perché Sn63Pd37 rappresenti la maggior parte delle paste saldanti con piombo. Una tale pasta saldante può raggiungere una temperatura di fusione pari a 183°C, che è molto più bassa di quella dello stagno puro. Per quanto riguarda la pasta saldante senza piombo, se si aggiunge una piccola quantità di SAC305, la temperatura di fusione può essere abbassata a 217°C, mentre se si aggiunge una piccola quantità di SCN, la temperatura di fusione può essere abbassata a 227°C. Sia 217°C che 227°C sono inferiori alla temperatura di fusione dello stagno puro, cioè 231,9°C.
Dopo che due tipi di metalli con alte temperature di fusione vengono miscelati tra loro in proporzioni determinate, la temperatura di fusione del composito diminuisce. Non è sorprendente? In realtà, la ragione di ciò deriva da alcune caratteristiche chimiche e non verrà discussa in questo articolo.
Esistono alcuni tipi di metalli che possono essere aggiunti alla pasta saldante per rendere l’operazione di saldatura più fluida. Le caratteristiche e le funzioni di questi metalli saranno presentate nel seguente articolo.
• Argento (Ag)
In generale, l’aggiunta di argento alla pasta saldante mira a migliorare la bagnabilità della saldatura e a incrementare la resistenza meccanica e alla fatica del giunto saldato. La pasta saldante è in grado di superare il test di cicli termici caldo-freddo. Tuttavia, se si aggiunge troppo argento (di solito più del 4%), le sfere di saldatura diventano invece fragili.
• Indio (In)
L’indio è probabilmente un tipo di metallo che può essere miscelato con lo stagno per diventare una lega metallica con la più bassa temperatura di fusione. Il punto di fusione più basso della lega 52In48Sn può essere fino a 120 °C, mentre quello della lega 77,2Sn/20In/2,8Ag può essere fino a 114 °C. In alcune situazioni, una saldatura a bassa temperatura di fusione sarà una buona scelta grazie alle sue buone caratteristiche fisiche e alla sua bagnabilità. Tuttavia, l’indio è così raro nel mondo che è molto costoso. Di conseguenza, l’indio difficilmente può essere applicato su larga scala.
• Zinco (Zn)
Poiché lo zinco è piuttosto comune, può essere acquistato a un prezzo basso, simile a quello del piombo. Sebbene il punto di fusione della lega di zinco-stagno sia inferiore a quello dell’argento puro, non c’è alcuna differenza. Inoltre, lo zinco presenta un evidente svantaggio: reagisce facilmente con l’ossigeno nell’aria formando ossidi. Gli ossidi riducono la bagnabilità della saldatura, causando così molti schizzi di stagno o un peggioramento della qualità della saldatura.
• Bismuto (Bi)
Il bismuto offre inoltre prestazioni eccellenti nell’aiutare a ridurre la temperatura di fusione della lega. La lega Sn42Bi58 presenta una temperatura di fusione bassa fino a 138°C, mentre quella della Sn64Bi35Ag1 è di soli 178°C. La temperatura di fusione di una lega di stagno, zinco e bismuto può essere bassa fino a 96°C. Il bismuto presenta prestazioni molto buone in termini di bagnabilità e caratteristiche fisiche. Dopo che la saldatura senza piombo è diventata popolare, la domanda di bismuto è aumentata drasticamente e il bismuto viene utilizzato principalmente per prodotti che non possono sopportare saldature ad alta temperatura. Il più grande svantaggio della lega stagno-bismuto risiede nella sua bassa tenacità e nell’insufficiente resistenza delle sfere di saldatura, motivo per cui si aggiunge una piccola quantità di argento per aumentarne la resistenza e la resistenza alla fatica.
• Nichel (Ni)
L’aggiunta di nichel alla lega saldante non serve a ridurne la temperatura di fusione. Dopotutto, rispetto alla lega stagno-nichel, lo stagno puro ha una temperatura di fusione più bassa. L’aggiunta di una piccola quantità di nichel serve solo a impedire che il substrato di rame si dissolva durante la saldatura. Il nichel è utilizzato in particolare nella saldatura a onda per evitare che le schede OSP (Organic Solderability Preservative) “intacchino” il rame, per cui le barre di saldatura contenenti lega SnCuNi (SCN) vengono impiegate nella saldatura a onda.
• Rame (Cu)
L'aggiunta di una piccola quantità di rame alla pasta saldante è in grado di aumentare la rigidità della saldatura, in modo che si possa incrementare la resistenza delle sfere di saldatura. Inoltre, una piccola quantità di rame è in grado di ridurre l’effetto corrosivo causato dalla saldatura. La quantità di rame aggiunta alla saldatura dovrebbe essere inferiore all’1%, poiché oltre l’1% il rame potrebbe ridurre la qualità della saldatura.
Lo stagno rimane la base per una saldatura efficace nell’assemblaggio di PCB, ma l’aggiunta di metalli di lega come argento, indio e rame ne migliora le prestazioni abbassando i punti di fusione e aumentando la resistenza meccanica. La possibilità di modificare le formule delle paste saldanti consente una produzione rapida e ripetibile dei PCB, fondamentale per soddisfare le esigenti specifiche dell’elettronica odierna. Comprendere il ruolo dei metalli di lega garantisce che i processi di saldatura forniscano proprietà meccaniche, elettriche e termiche ottimali.
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