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Las aleaciones de soldadura sin plomo han existido desde que las personas soldaron, con fuentes que se remontan a unos 5.000 años. La mayoría de estas aleaciones eran combinaciones como cobre-plata o plata-oro y se usaban con la llamada soldadura dura. Esa es una técnica que todavía se usa hoy en día para unir metales preciosos y semipreciosos. Un desarrollo mucho más reciente es el de soldar componentes electrónicos entre sí, utilizando "soldadura blanda", lo que implica temperaturas mucho más bajas.

Las primeras soldaduras blandas usaban estaño puro (Sn), pero gradualmente se buscaron aleaciones que solucionaran problemas como los ciclos térmicos, la resistencia a los golpes, la migración de electrones y el desarrollo de bigotes en las aleaciones a base de estaño. Si bien el plomo (Pb) logró cumplir esta función para la mayoría de las aplicaciones de soldadura, la eliminación gradual del plomo de los productos, así como los nuevos requisitos para componentes cada vez más finos, han requerido el desarrollo de nuevas aleaciones de soldadura que puedan cumplir esta función.

En este artículo, analizaremos los tipos de soldadura sin plomo comúnmente utilizados tanto para uso industrial como para pasatiempos, y los dopantes que se utilizan para mejorar sus propiedades.

Hay una buena razón por la que el estaño (Sn) se usa con tanta frecuencia en soldadura blanda y aleaciones de soldadura: se funde a bajas temperaturas (232 °C) y ofrece buenas propiedades de humectación (capacidad de fluir en la almohadilla) además de su capacidad para se disuelve bien con la mayoría de los metales. Esta última propiedad es crucial para formar un buen compuesto intermetálico (IMC). La calidad de este límite IMC determina qué tan duradera será la unión. Tanto la granularidad como el número (y el tamaño) de los vacíos en el IMC afectarán esta durabilidad.

Los dos tipos de soldadura sin plomo más utilizados son SnAgCu (estaño-plata-cobre, también llamado SAC) y SnCu (estaño-cobre). La aleación SnAgCu con 3 % de plata y 0,5 % de cobre (SAC305) se respaldó inicialmente para su uso en el ensamblaje SMT, junto con otras aleaciones SAC. Estas otras aleaciones son tipos con mayor contenido de plata, como SAC387 (3,8% Ag) y SAC405 (4% ​​Ag). Estas aleaciones de plata superiores son verdaderas aleaciones eutécticas: cambian completamente de sólido a líquido en el punto de fusión de 217°C. Por el contrario, SAC305 tiene un rango entre 217 y 219 °C.

Aunque SAC es una aleación de soldadura aceptable, la adición de plata aumenta su costo. Esto ha llevado a la industria a utilizar aleaciones con bajo contenido de plata (por ejemplo, SAC0307) o alternativas sin plata, como SnCuNi.

La clave para una junta confiable radica en la calidad del IMC que se fuerza. No puede ser demasiado grueso o granular, y preferiblemente no debe tener ningún vacío de Kirkendall.

El IMC de cada junta está sujeto a varios tipos de envejecimiento y daño:

De estos, el ciclo térmico y el choque térmico están relacionados, ya que ambos son causados ​​por las temperaturas ambientales. Como una junta está expuesta a cambios de temperatura, sus componentes individuales estarán sujetos a la expansión térmica, que probablemente sea diferente entre los diferentes materiales. La resistencia a la tracción de la junta determina en qué punto la deformación resultante hará que se forme una grieta.

Por lo general, bajo ciclos térmicos, el IMC estará sujeto a recristalización, lo que provoca una rugosidad del IMC que permite la formación de grietas. Los estudios han demostrado que agregar nanopartículas de La2O3 mejora la confiabilidad térmica, principalmente al inhibir el crecimiento del IMC. Las aleaciones con alto contenido de plata también muestran una mejor confiabilidad térmica. La adición de 0,1 % de aluminio (Al) a las aleaciones con bajo contenido de plata también tuvo ese efecto, al igual que la adición de Ni, Mn y Bi a las aleaciones de SnAgCu.

El impacto de la caída y la vibración están relacionados de manera similar, ya que se aplica algún tipo de deformación mecánica que puede afectar a la PCB, la junta y el componente. Especialmente con chips BGA de gran cantidad de pines, un impacto de caída puede causar daños significativos, poniendo a prueba propiedades como la resistencia al corte de las uniones. Los modos de falla por vibración mecánica son similares a los de ciclos térmicos, causados ​​por el desarrollo gradual de grietas.

Finalmente, la electromigración es la más insidiosa de todas, ya que no requiere influencias externas. El efecto final de la electromigración es el transporte de material dentro de la junta y el IMC, causado por el movimiento gradual de los iones, a medida que los electrones y los átomos metálicos en difusión transfieren el impulso. La corriente dentro de la unión entre el ánodo y el cátodo provoca la formación de cavidades. Con el tiempo, estos vacíos se vuelven lo suficientemente grandes como para que se formen grietas en la junta y el IMC hasta que finalmente la junta falla. A temperaturas y corrientes más altas, este proceso se acelera.

La prevención de la electromigración implica regular la temperatura y la densidad de corriente, así como ajustar la composición y la estructura de la unión de soldadura para aumentar su resistencia a la electromigración. Se demostró que la adición de cobolto (Co) mejora la resistencia a la electromigración, al igual que la adición de níquel (Ni) y bismuto (Bi), y este último también reduce el punto de fusión de la aleación. Ambos parecen mejorar la resistencia a la electromigración a través de la inhibición del crecimiento del IMC, que parece ser un elemento clave.

Durante los años 70, 80 y gran parte de los 90, prácticamente todas las soldaduras se realizaban en almohadillas relativamente grandes. La mayoría, si no todo, involucra soldadura de orificio pasante usando paquetes DIP o similares. A medida que la soldadura montada en la superficie y el uso de paquetes más pequeños como SOIC, TSSOP, QFN y BGA se volvieron comunes, la resistencia del IMC y su durabilidad se convirtieron en un problema mucho mayor a medida que las almohadillas se volvían cada vez más pequeñas.

Como vimos anteriormente, la electromigración es un problema importante que, junto con la resiliencia térmica y mecánica, desempeñará un papel importante ahora y en el futuro. Las soluciones a esos problemas determinarán gran parte de la vida útil de nuestros dispositivos, así como si dejar caer ese nuevo teléfono inteligente será una mera molestia o fracturar media docena de minúsculas bolas de soldadura en el paquete BGA principal de 0,2 mm de paso.

Aunque SnCu como aleación no es la preferida para soldar, ya que el cobre tiende a formar un IMC bastante grueso y quebradizo, existe una variación de microaleación que puede competir o superar a las aleaciones SnPb y SAC desde los años 90, cuando Nihon Superior desarrolló SN100C, que es SnCuNiGe. Desafortunadamente, esta aleación ha estado gravada por patentes hasta hace muy poco tiempo. Tiene su punto de fusión a 227 °C, con el 0,05 % de Ni que promueve una junta brillante mientras reduce la erosión de la almohadilla de cobre. El 0,009% de Ge favorece la humectación y evita la formación de escoria.

Dado que esta aleación eutéctica es más barata que las aleaciones SnCuAg y sus mejores propiedades, por ejemplo, con el reelaborado, parece ser una opción interesante tanto para profesionales como para aficionados. Con la expiración de la patente (pero 'SN100C' todavía es una marca registrada), muchos fabricantes ahora han agregado esta aleación a su catálogo, incluidos Stannol y Felder (Sn100Ni+), lo que hace que sea mucho más fácil de adquirir.

En el centro de las aleaciones para soldar se encuentra el ámbito de la ciencia de los materiales, que es, por definición, uno de compromisos. Mejora una cualidad en un área y degrada una cualidad en otra. Podemos ver esto cuando observamos el uso de microaleaciones para mejorar la estabilidad mecánica del IMC, lo que resulta en una peor resistencia a la electromigración, etc.

A veces se afirma que habíamos encontrado la aleación de soldadura perfecta con soldadura 63/37 SnPb, pero a medida que la electrónica se miniaturiza cada vez más y avanza la investigación sobre aleaciones de soldadura blanda, podemos ver que aparecen una serie de requisitos que no eran ni remotamente un problema en el pasado. en la década de 1990, pero donde ahora podemos aplicar nuevos conocimientos para resolverlos. La lectura de artículos científicos de 2005 sobre el tema en comparación con la actualidad realmente muestra lo lejos que hemos llegado.

Una de las propiedades más molestas del estaño, los bigotes de estaño, sigue siendo una de las más difíciles de resolver por completo. Aunque el plomo (Pb) inhibió el desarrollo y el crecimiento de los bigotes de estaño, no fue una solución perfecta. Las aleaciones como SnCuNiGe en este punto parecen ofrecer un rendimiento comparable en este sentido y se han recomendado como solución inmediata.

Dado que problemas como el ciclo térmico y la resistencia al corte de las uniones de soldadura cada vez más pequeñas se están convirtiendo en un problema, el refinado de las aleaciones que usamos para ensamblar PCB es algo que vale la pena abordar. Si podemos hacer que el ensamblaje de más de 500 paquetes BGA de plomo y su confiabilidad durante más de 10 años de uso diario sea casi una certeza, eso significa menos desechos electrónicos que deben reciclarse o que terminan en vertederos.

Del mismo modo, tener aleaciones más fáciles de usar y más confiables para los aficionados también se está convirtiendo en un tema más importante. Los aficionados ya no se limitan a insertar un par de circuitos integrados DIP de la serie 74 en una placa de orificio pasante. Más a menudo vemos que se utilizan QFN, TSSOP y paquetes similares. Con la mejora de la humectación y la disminución del potencial de formación de puentes de las nuevas aleaciones, debería mejorar la vida de todos.