Сегрегация Bi в низкотемпературной паяльной пасте возникает из-за присущей им несмешиваемости между Bi и Sn в эвтектической системе Sn-Bi, особенно когда локальные скорости охлаждения отклоняются от идеальных условий во время оплавления, что приводит к концентрации фаз с высоким содержанием Bi на границах зерен или вблизи концов компонентов, что напрямую ставит под угрозу механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Поскольку Bi имеет значительно более высокую температуру плавления, чем Sn и более низкий коэффициент диффузии в расплавленном состоянии, неравномерное распределение тепла по нанесенному по трафарету отложению усиливает микроструктурную неоднородность, если рецептура пасты и параметры процесса не синхронизированы. Таким образом, профиль вязкости носителя флюса должен поддерживать равномерную суспензию частиц во время хранения и печати, обеспечивая при этом быстрый, симметричный коллапс во время предварительного нагрева, чтобы минимизировать миграцию растворенного вещества до начала нуклеации.
Низкотемпературная паяльная паста обычно работает при температуре ниже 180°C, причем многие составы рассчитаны на пиковые температуры оплавления между 165°C и 175°C для защиты термочувствительных компонентов, таких как MLCC и интегрированные антенны, однако это узкое термическое окно не оставляет большого права на ошибку в контроле разделения фаз Bi, поскольку даже отклонение на 3°C скорости ленты или температуры зоны может сместить кинетику затвердевания настолько, что будет способствовать расслоению дендритов Bi по предшествующим жидкостным каналам. При использовании оплавления в атмосфере азота восстановление кислорода улучшает смачивание, но также продлевает время выше ликвидуса для краевых зон, тем самым увеличивая возможность всплытия Bi из-за плотности, если только распределение частиц сплава по размерам не сужается до D90 < 12>.
Химический состав флюса играет решающую роль в контроле сегрегации Bi, поскольку органические кислоты и активаторы, не содержащие галогенидов, влияют как на эффективность удаления оксидов, так и на градиенты поверхностного натяжения во время плавления, а чрезмерная полярность остатков канифоли может закрепить кластеры Bi на границе раздела припой-площадка, если срок службы липкости превышает 45 минут при относительной влажности окружающей среды выше 60%. Скорость печати должна оставаться в пределах от 25 мм/с до 40 мм/с, чтобы сбалансировать эффективность переноса и смещение частиц, вызванное сдвигом, в то время как давление ракеля должно поддерживаться на уровне 4,5 ± 0,3 кгс, чтобы избежать размазывания, которое заставляет фракции, обогащенные Bi, приближаться к краям отпечатка. Профили оплавления требуют скорости нарастания до пика не более 0,8°C/с до 150°C с последующей контролируемой выдержкой при температуре от 155°C до 162°C в течение 60–90 секунд для гомогенизации температуры по всем направлениям перед входом в зону ликвидуса, где время пребывания выше 165°C не должно превышать 45 секунд, чтобы предотвратить укрупнение осадков Bi. Проверка после оплавления с использованием поперечного SEM-EDS неизменно показывает, что степень сегрегации Bi сильнее коррелирует с превышением пиковой температуры, чем с общим временем выше ликвидуса, подтверждая, что переходные тепловые скачки, а не продолжительность, являются доминирующим фактором фазовой нестабильности.
Условия хранения напрямую влияют на склонность к сегрегации, поскольку старение при 25°C в течение более 72 часов вызывает измеримую агломерацию частиц Bi из-за слабого притяжения Ван-дер-Ваальса, преодолевающего стерическую стабилизацию полимерных диспергаторов, особенно когда номера партий пасты указывают на интервалы после смешивания, превышающие 14 дней. Повторное смешивание посредством центробежного сдвига при 1200 об/мин в течение 90 секунд восстанавливает однородность дисперсии только в том случае, если оно выполняется до начала гелеобразования, которое происходит при 35°C через 120 часов, независимо от начальной степени вязкости. Входной контроль паяльной пасты должен включать испытание на динамическую вязкость от 0,1 с⁻¹ до 100 с⁻¹ при 25°C для подтверждения того, что тиксотропное восстановление остается выше 88% через 300 секунд, поскольку ухудшение восстановления сигнализирует об ослаблении инкапсуляции частиц и предшествует наблюдаемым полосам Bi в отпечатанных отложениях. Любое отклонение содержания металла свыше 88,5±0,3% по весу вызывает немедленный карантин, поскольку избыток Sn ослабляет эффект ингибирования решетки Bi и ускоряет межкристаллитную диффузию во время затвердевания.
