La reducción progresiva del tamaño de las uniones de soldadura en los dispositivos microelectrónicos hace que estas deban soportar mayores cargas mecánicas, eléctricas y termodinámicas, al tiempo que aumentan los requisitos de fiabilidad. Las tecnologías de encapsulado electrónico, incluidas la SMT (Surface Mount Technology), la CSP (Chip-Scale Package) y la BGA (Ball Grid Array), necesitan implementar conexiones eléctricas y mecánicamente rígidas entre diferentes materiales mediante uniones de soldadura, de modo que la calidad y la fiabilidad de dichas conexiones determinan la calidad y la fiabilidad de los productos electrónicos. La falla de una sola unión de soldadura puede provocar la avería completa de los productos electrónicos. Por lo tanto, cómo garantizar la calidad de las uniones de soldadura es una cuestión extremadamente esencial para los productos electrónicos modernos.
La soldadura tradicional SnPb contiene Pb (plomo) que, junto con los compuestos químicos de plomo, constituye una sustancia altamente tóxica cuya aplicación a largo plazo causará daños extremos a la vida de las personas y al medio ambiente. Hasta ahora, la soldadura sin plomo está sustituyendo constantemente a la soldadura con plomo por sus ventajas en cuanto a protección ambiental. Sin embargo, la fabricación sin plomo difiere de la fabricación con plomo enProceso de PCBA (ensamblaje de placa de circuito impreso)con parámetros modificados. Por lo tanto, es de gran importancia conocer plenamente la comparación entre el procedimiento de fabricación de soldadura con plomo y el de soldadura sin plomo en PCBA, de modo que el rendimiento y las funciones de los productos electrónicos no se vean comprometidos por las preocupaciones medioambientales.
Comparación de propiedades entre soldadura sin plomo y soldadura con plomo
• La soldadura sin plomo presenta un punto de fusión más alto que la soldadura con plomo.
a. El punto de fusión de la soldadura eutéctica tradicional de plomo (Sn37Pb) es de 183°C.
b.Punto de fusión de la soldadura eutéctica libre de plomo(SAC387) es 217°C.
Dado que la soldadura eutéctica sin plomo (SAC387) presenta un punto de fusión 34 °C más alto que la soldadura eutéctica tradicional con plomo (Sn37Pb), la consecuencia es:
1).El aumento posterior de la temperatura hace que la soldadura se oxide fácilmente, con un compuesto químico que crece rápidamente entre los metales.
2).Algunos componentes, como aquellos con encapsulado de plástico o condensadores electrolíticos, tienden a verse más afectados por la temperatura de soldadura que otros elementos.
3). La aleación SAC generará una mayor tensión en los componentes, de modo que los componentes con baja constante dieléctrica tendrán más probabilidades de fallar.
4). Existen numerosos tipos de superficies de soldadura disponibles en la superficie de soldadura libre de plomo de los componentes. La aplicación de estaño en la soldadura se utiliza más debido a su bajo costo. No obstante, tiende a generarse una fina capa de óxido en la superficie del estaño. Además, es posible que se produzcan tensiones después del galvanizado. Como resultado, tiende a generarse barba de estaño.
• La soldadura sin plomo presenta una peor humectabilidad que la soldadura con plomo.
En comparación con la soldadura con plomo, la soldadura sin plomo presenta una humectabilidad claramente inferior a la de la soldadura con plomo. Una mala humectabilidad tiende a hacer que las uniones de soldadura funcionen de manera demasiado deficiente como para cumplir los requisitos en términos de capacidad de autocorrección, resistencia a la tracción y resistencia al corte. Una mala humectabilidad posiblemente conduzca a una mayor tasa de rechazo de las uniones de soldadura cuando no se implementan modificaciones para compensar esta desventaja.
• Comparación entre la soldadura sin plomo y la soldadura con plomo en cuanto a características físicas.
La siguiente tabla muestra las diferencias en las características físicas entre la soldadura sin plomo y la soldadura con plomo.
|
Artículo
|
Sn37Pb
|
SAC387
|
Sn0.7Cu
|
| Densidad (g/m2) |
8,5 |
3,5 |
3.31 |
| Punto de fusión (°C) |
183 |
217 |
227 |
| Resistividad (MΩ·cm) |
15 |
11 |
10-15 |
| Conductividad eléctrica (IACS) |
11,5 |
15,6 |
/ |
| CTE (×10-4) |
23,9 |
23,5 |
/ |
| Conductividad térmica (W/m·1k·1s) |
50 |
73 |
/ |
| Tensión superficial a 260°C (mN/m) |
481 |
548 |
491 |
| Vida a fatiga |
3 |
1 |
2 |
| Resistencia al corte (MPa) |
23 |
27 |
20-23 |
Como se muestra en la tabla anterior, la soldadura sin plomo definitivamente tendrá una influencia negativa en la fiabilidad de las uniones de soldadura debido a la diferencia de rendimiento de la soldadura en comparación con la fabricación tradicional con soldadura de plomo. Desde la perspectiva de la influencia mecánica, la soldadura típica sin plomo es más dura que la soldadura con plomo. Además, el óxido superficial generado, los contaminantes del flux y los residuos de aleación posiblemente conducirán a un mal desempeño en el contacto eléctrico y en la resistencia de contacto. Por lo tanto, la conversión de los productos electrónicos de la fabricación con plomo a la fabricación sin plomo nunca es una sustitución pura ni en los aspectos eléctricos ni en los mecánicos debido a las siguientes razones:
a. Debido a que el plomo es relativamente blando, las uniones de soldadura generadas por la fabricación sin plomo son más duras que las generadas por la fabricación con plomo, lo que conduce a una mayor resistencia y a una menor deformación, lo cual, sin embargo, no conducirá necesariamente a una alta fiabilidad de las uniones de soldadura sin plomo.
b. Debido a que la soldadura libre de plomo presenta una mala humectabilidad, se generarán más defectos, incluidos vacancias, desplazamientos y efecto “tombstone”.
Preocupación Integral por la Fabricación Libre de Plomo
Al transformar de soldadura con plomo a soldadura sin plomo, la diferencia más destacada radica en el alto contenido de estaño (>95% en peso). Como resultado, se debe prestar atención en primer lugar a los siguientes problemas.
• Crecimiento de bigotes de estaño
El bigote de estaño crece desde la sección débil de la capa de óxido de estaño como estaño monocristalino, presentándose en forma columnar o como filamento cilíndrico. Sus daños incluyen:
a. Pueden producirse cortocircuitos entre pines vecinos.
b. Puede generarse una mala influencia en las características de alta frecuencia.
El esfuerzo de compresión está presente en la capa de soldadura de estaño, y se considera la razón esencial para la generación de bigotes de estaño. Por ejemplo, cuando se forma una gran cantidad de aleación metálica irregular Cu6Sn5, se generan muchos defectos, incluyendo la acumulación de esfuerzo de compresión en la capa de estaño, la deformación de las patillas de los componentes y la descoordinación del CTE, todo lo cual dará lugar a la generación de bigotes de estaño. Las aleaciones con alto contenido de estaño provocarán la generación de bigotes de estaño, lo que es especialmente cierto en el caso del estaño puro. Sin embargo, muchas aleaciones metálicas como Pb o Bi pueden detener o dificultar el crecimiento de los bigotes de estaño.
Los filamentos de estaño pueden causar cortocircuitos en componentes de líneas finas, por ejemplo en QFP. Por lo tanto, el estaño puro puede chaparse en productos de baja gama y en componentes cuya vida útil sea inferior a 5 años. En cuanto a los productos de alta fiabilidad y a los componentes cuya vida útil debe ser superior a 5 años, primero se debe chapar una capa de níquel con un espesor inferior a 1 μm y luego una capa de estaño con un espesor de 2‑3 μm.
• Crecimiento de dendritas metálicas
Las dendritas metálicas presentan procedimientos de crecimiento diferentes a los de los filamentos de estaño. Las primeras resultan de la electromigración iónica en electroquímica. Las dendritas metálicas provocarán cortocircuitos que a su vez causarán fallos en el circuito.
• Generación de CAF
El filamento anódico conductor (CAF) es otro tipo de fallo como resultado de una reacción electroquímica. El CAF tiene lugar dentro de la placa de circuito impreso (PCB), causado por un filamento conductor anódico que contiene cobre y que crece desde el ánodo hasta el cátodo.
CAF crece hasta cierto punto cuando el ánodo y el cátodo están conectados con cortocircuitos que tienen lugar entre dos polos, lo que finalmente conduce a un desastre catastrófico. CAF es un desastre paraensamblaje de PCB de alta densidady la soldadura sin plomo con una temperatura más alta hace que este problema ocurra más fácilmente.
• Peste del estaño
La peste del estaño resulta del cambio de fase polimórfico espontáneo del estaño puro. Cuando la temperatura es inferior a 13 °C, el estaño puro dará lugar a la conversión del estaño blanco (su densidad es de 7,30 g/cm3) que deriva de la estructura cuadrada central al estaño gris (la densidad es de 5,77 g/cm3) en estructura cúbica centrada. Teóricamente, la peste del estaño conducirá a un posible riesgo de fiabilidad, pero rara vez se observa porque se mezclan impurezas en el estaño.
Los problemas analizados anteriormente son posibles defectos cuando se utiliza soldadura sin plomo. No obstante, pueden eliminarse siempre que se aprovechen tecnologías de soldadura avanzadas durante el proceso de PCBA.
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