انواع شمش‌های قلع بدون سرب: خواص و کاربردها

در این مقاله، به معرفی و بررسی برخی از انواع شمش قلع بدون سرب پرداخته شده و ویژگی‌های هر یک به اختصار بیان می‌گردد. همان‌طور که می‌دانیم، در تمامی صنایع، اتصال قطعات الکترونیکی بر روی بردهای مدار الکتریکی از طریق فرآیند لحیم‌کاری و با استفاده از آلیاژهای مختلف انجام می‌شود. این آلیاژها عمدتاً شامل عناصر با نقطه ذوب پایین مانند سرب، قلع، ایندیم و غیره هستند. با این حال، با توجه به قوانین وضع شده از سوی اتحادیه اروپا و ایالات متحده آمریکا از سال ۲۰۰۶ میلادی در خصوص اثرات سمی سرب بر سلامت انسان و محیط زیست، استفاده از آلیاژهای لحیم بدون سرب (Lead-free Solders) به عنوان جایگزینی برای آلیاژهای لحیم حاوی سرب، در بسیاری از صنایع رواج یافته است.

معایب و مزایای آلیاژهای لحیم بدون سرب

استفاده از آلیاژهای لحیم بدون سرب دارای مزایا و معایب متعددی است. از جمله مزایای عمده این آلیاژها می‌توان به بهبود کیفیت لحیم‌کاری بر روی بردهای مدار چاپی (PCB) اشاره کرد؛ چرا که آلیاژهای بدون سرب در طول فرآیند لحیم‌کاری پخش شدگی کمتری دارند و اتصالات منظمی ایجاد می‌کنند.

در مقابل، این آلیاژها معایبی نیز دارند که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به نقطه ذوب بالاتر، خواص مکانیکی ضعیف‌تر و کاهش طول عمر فلاکس نسبت به سیم لحیم‌های پایه سرب اشاره کرد. همچنین، وجود میزان بالاتری از اکسیژن در این نوع آلیاژها می‌تواند بر عملکرد فرآیند لحیم‌کاری تأثیر منفی بگذارد.

آشنایی با آلیاژهای لحیم‌ بدون سرب

آلیاژهای لحیم‌کاری بدون سرب معمولاً به‌صورت دوتایی، سه‌تایی و در برخی موارد چهارتایی تهیه می‌شوند. امروزه، آلیاژهای بدون سرب بر پایه عنصر قلع (Sn) به عنوان جایگزین اصلی آلیاژهای لحیم پایه سرب در صنعت به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. دو عنصر ایندیوم (In) و بیسموت (Bi) نیز اغلب به عنوان اجزای اصلی در ترکیب این آلیاژها مطرح هستند. سایر عناصری که در مقادیر کمتر در این آلیاژها به کار می‌روند عبارت‌اند از روی (Zn)، نقره (Ag)، آنتیموان (Sb)، مس (Cu) و منیزیم (Mg). در برخی موارد، مقدار بسیار کمی سرب نیز ممکن است در ترکیب این آلیاژها وجود داشته باشد.

آلیاژهای مهم قلع و چالش‌های ساختاری آن‌ها

قلع، به دلیل خاصیت پخش‌شوندگی مطلوب بر روی زیرلایه‌ها، یکی از اجزای اصلی در اغلب آلیاژهای لحیم به شمار می‌رود. این عنصر دارای نقطه ذوبی معادل ۲۳۱ درجه سانتی‌گراد است و در حالت جامد، دو ساختار کریستالی متفاوت از خود نشان می‌دهد.

نوع اول، قلع سفید یا α، دارای ساختار تتراگونال مرکزپُر است که در دمای محیط پایدار باقی می‌ماند. نوع دوم، قلع خاکستری یا β، دارای ساختار الماسی بوده و از نظر ترمودینامیکی در دماهای کمتر از ۱۳ درجه سانتی‌گراد پایدار است.

یکی از معضلات آلیاژهای پایه قلع در کاربردهای دمای پایین، افزایش حجم ناشی از تبدیل فاز β به α است که این تغییر فاز می‌تواند ایجاد ترک کند. خوشبختانه، این مشکل تا حد زیادی با افزودن عناصر آلیاژی قابل کنترل است؛ به عنوان مثال، افزودن ۰/۵ درصد وزنی سرب (Pb) و ۰/۱ درصد وزنی آنتیموان (Sb) تقریباً مشکلات مرتبط با این دگرگونی فاز را برطرف می‌کند.

از طرفی، این آلیاژها مستعد رشد سریع رشته‌های قلع (Whisker Growth) هستند که عمدتاً در دمای حدود ۵۱ درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد. اگرچه رشد رشته‌ای قلع تاثیر مستقیمی بر فرآیند لحیم‌کاری و کیفیت پوشش قلع ندارد، اما می‌تواند منجر به ایجاد اتصال کوتاه الکتریکی گردد.

سیستم Sn-Zn

با توجه به نقطه ذوب نزدیک به دمای یوتکتیک سیستم قلع-سرب (۱۹۸ درجه سانتی‌گراد)، ترکیب یوتکتیک Sn–9 درصد وزنی Zn می‌تواند به عنوان جایگزینی مناسب برای آلیاژهای لحیم پایه سرب مورد استفاده قرار گیرد. ساختار یوتکتیکی این آلیاژ شامل دو فاز است: فاز غنی از قلع (Sn) با ساختار تتراگونال مرکز پُر، و فاز ثانویه غنی از روی (Zn) با ساختار هگزاگونال.

سیستم Sn-Cu

سیستم دوتایی قلع-مس دارای ترکیب یوتکتیک Sn–۰.۷ درصد وزنی Cu در دمای ۲۲۷ درجه سانتی‌گراد است. ساختار ریختگی این آلیاژ شامل رسوبات بین‌فلزی Cu₆Sn₅ به شکل لوله‌های توخالی می‌باشد. با توجه به درصد بالای قلع، این آلیاژ مستعد رشد سریع رشته‌های قلع و همچنین دگرگونی فازی قلع خاکستری به قلع سفید است؛ همان‌گونه که پیش‌تر ذکر شد، این پدیده می‌تواند منجر به ایجاد ترک و بروز اتصال کوتاه الکتریکی در بردهای مدار چاپی (PCB) شود.

سیستم Sn–Bi

آلیاژ Sn–Bi دارای ترکیب یوتکتیک ۴۲ درصد وزنی Sn و ۵۸ درصد وزنی Bi در دمای نسبتاً پایین ۱۳۹ درجه سانتی‌گراد است. فازهای تعادلی این آلیاژ در دمای محیط شامل فاز بیسموت و محلول جامد غنی از قلع می‌باشند. به طور کلی، حلالیت عنصر قلع در بیسموت در نقطه یوتکتیک بسیار ناچیز است؛ به نحوی که می‌توان فاز Bi را عملاً به‌صورت بیسموت خالص در نظر گرفت.

بر اساس مطالعات ویلد (Wild)، مشاهده شده است که در صورت سرد شدن آهسته ترکیب یوتکتیکی Sn–Bi، امکان ایجاد ترک‌هایی در ساختار وجود دارد. این ترک‌ها عمدتاً به تشکیل رسوبات حاوی قلع در اطراف مرزدانه‌ها نسبت داده می‌شوند.

سیستم In–Sn

این سیستم آلیاژی، به دلیل دمای ذوب بسیار پایین و تمایل کمتر به جذب و هدر رفت طلا (Scavenge gold) در مقایسه با آلیاژهای لحیم قلع-سرب، بیشتر در کاربردهای مونتاژ سطحی (SMT) مورد استفاده قرار می‌گیرد. ترکیب یوتکتیک این سیستم برابر با In–۴۹.۱ درصد وزنی Sn در دمای ۱۱۷ درجه سانتی‌گراد است و شامل دو فاز بین‌فلزی می‌باشد:

• فاز غنی از ایندیوم با ساختار تتراگونال مرکز پر (فاز β) و ۴۴.۸ درصد وزنی Sn
• فاز هگزاگونال غنی از قلع (فاز γ) با ۷۷.۶ درصد وزنی Sn

سیستم Sn–Ag

ترکیب یوتکتیک در سیستم دوتایی قلع-نقره (Sn–Ag) در درصد وزنی Sn-3.5Ag و در دمای ۲۲۱ درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد. ریزساختار این آلیاژ متشکل از دو فاز شامل فاز غنی از قلع و فاز بین‌فلزی Ag₃Sn است که به صورت صفحات نازک تشکیل می‌شوند. مشابه با آلیاژ Sn–0.07Cu، این آلیاژ نیز به دلیل درصد بالای قلع، مستعد رشد سریع می‌باشد.

سیستم Sn-Ag-Cu (SAC)

در میان سیستم‌های سه‌تایی یوتکتیکی یا نزدیک به یوتکتیک، سیستم سه‌تایی قلع-نقره-مس (Sn-Ag-Cu) امیدبخش‌ترین گزینه برای جایگزینی آلیاژهای سنتی قلع-سرب (Sn-Pb) محسوب می‌شود. ترکیب یوتکتیکی این آلیاژ به صورت Sn-3.5Ag-0.9Cu (درصد وزنی) و در دمای ۲۱۷ درجه سانتی‌گراد است. ریزساختار این آلیاژ شامل فازهای غنی از قلع، ترکیب بین‌فلزی Ag₃Sn و Cu₆Sn₅ می‌باشد.

جدول مشخصات سیستم‌های آلیاژی لحیم بدون سرب

در جدول زیر، نقطه ذوب و موارد کاربرد برخی از مهم‌ترین سیستم‌های آلیاژی لحیم بدون سرب به صورت خلاصه ارائه شده است:

ملاحظات زیست‌محیطی و استانداردهای بین‌المللی

یکی از مهم‌ترین عوامل گسترش استفاده از آلیاژهای لحیم بدون سرب، نگرانی‌های زیست‌محیطی و سلامت انسانی مرتبط با کاربرد سرب است. ورود سرب به زنجیره غذایی و محیط زیست می‌تواند آسیب‌های جدی و بلندمدتی ایجاد کند. به همین دلیل، استانداردهایی نظیر (Restriction of Hazardous Substances) RoHS در اتحادیه اروپا، و دستورالعمل‌هایی مشابه در دیگر کشورها، استفاده از سرب و برخی فلزات سنگین را در تولید تجهیزات الکترونیکی محدود می‌کند. رعایت این استانداردها، نه‌تنها الزامی قانونی است، بلکه نقش مهمی در کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی و ارتقای ایمنی مصرف‌کنندگان ایفا می‌نماید.

چالش‌های صنعتی و کنترل کیفیت در تولید شمش‌های بدون سرب

تولید شمش‌های قلع بدون سرب، نیازمند کنترل دقیق ترکیب شیمیایی و خواص فیزیکی است تا از تشکیل فازهای ناخواسته مانند ترکیبات بین‌فلزی با اندازه غیرمطلوب جلوگیری شود. همچنین، شاخص‌هایی مانند خلوص مواد اولیه، نوع و میزان عناصر آلیاژی، دمای ریخته‌گری و سرعت سرد شدن، تأثیر چشمگیری بر خواص نهایی آلیاژ و کیفیت عملکرد لحیم‌کاری دارند. استفاده از روش‌های آنالیز شیمیایی (مانند کوانتومتری، XRF و ICP) جهت تضمین کیفیت محصول نهایی، به‌ویژه برای صنایع حساس مانند الکترونیک ضروری است.

کاربردهای نوین و وضعیت بازار جهانی

امروزه آلیاژهای بدون سرب علاوه بر کاربردهای گسترده در صنایع الکترونیک و مونتاژ مدارهای چاپی (PCB)، در حوزه‌هایی مانند صنعت خودروسازی، انرژی‌های نو، اتصال حسگرها و تجهیزات پزشکی نیز به کار می‌روند. کشورهای شرق آسیا (به‌ویژه ژاپن، چین و سنگاپور)، اروپا و آمریکا، پیشتاز توسعه بازار این محصولات هستند. به‌دلیل رشد روزافزون فناوری‌های سبز و سیاست‌های زیست‌محیطی سختگیرانه، پیش‌بینی می‌شود تقاضا برای آلیاژهای لحیم بدون سرب در سال‌های آینده همچنان رو به افزایش باشد.

جمع‌بندی:

هدف این مقاله، ارائه اطلاعات فنی و کاربردی درباره انواع شمش قلع بدون سرب و بررسی مزایا و معایب آن‌ها بود. از همراهی شما سپاسگزاریم و بی‌صبرانه منتظر دریافت انتقادات و پیشنهادات ارزشمند شما برای بهبود این مقاله و سایر مطالب سایت ارزیز هستیم.

مراجع:

• Kantarcıoğlu, Anıl. Development of new lead-free solders for electronics industry. MS thesis. Middle East Technical University, 2012.
• Abtew, Mulugeta, and Guna Selvaduray. “Lead-free solders in microelectronics.” Materials Science and Engineering: R: Reports 27.5-6 (2000): 95-141