Uno de los acabados de superficie más utilizados en las PCB en la fabricación electrónica actual es el níquel químico oro de inmersión (ENIG). Debido a su excelente planitud, su alta resistencia a la oxidación y su capacidad para utilizarse en componentes de paso fino, el ENIG se usa comúnmente en productos que incluyenplacas HDIensamblajes BGA, electrónica automotriz, dispositivos médicos y equipos de telecomunicaciones.
Las placas de circuito impreso están sometidas a múltiples ciclos de refusión cada vez con mayor frecuencia a medida que los conjuntos electrónicos se vuelven más complejos y compactos. Durante varios procesos de refusión a altas temperaturas, una PCB se expone aensamblaje SMT de doble cara, sustitución de componentes, operaciones de reparación y perfiles térmicos repetidos. Aunque el ENIG muestra un buen rendimiento en muchas aplicaciones exigentes, la exposición prolongada a ciclos térmicos repetidos puede afectar la soldabilidad, las propiedades mecánicas y la fiabilidad del ENIG.
¿Qué sucede durante múltiples ciclos de refusión?
Ciclo de refusión: El proceso de calentar una pasta de soldadura para fundirla y crear una conexión eléctrica entre los componentes y las almohadillas de la PCB. Las temperaturas máximas típicas de refusión enfabricación sin plomoestán entre 240 °C y 260 °C, lo que ejerce una fuerte tensión térmica sobre los acabados de superficie de la PCB.
Un acabado ENIG se compone de dos capas metálicas:
Níquel químico: Proporciona una barrera de difusión entre el cobre y la soldadura.
Oro de inmersión: Evita que el níquel se oxide antes de la soldadura.
Al soldar, la fina capa de oro se funde en la soldadura y esta entra en contacto con la capa de níquel situada debajo del oro. Esta interfaz cambia continuamente con las repetidas refundiciones, lo que puede afectar a la fiabilidad a largo plazo.
Crecimiento de compuestos intermetálicos
Un efecto importante de un ciclo de múltiples reflujos sobre el ENIG es la formación progresiva de compuestos intermetálicos.
Cuando la soldadura fundida entra en contacto con la capa de níquel, se forman compuestos de níquel y estaño (Ni₃Sn₄) en la interfaz de la unión de soldadura. El crecimiento del IMC es esencial para la formación del enlace de soldadura; sin embargo, si se forma demasiado IMC, la fiabilidad de la unión se verá comprometida.
Los estudios con exposiciones repetidas de refusión indican que, con cada refusión, aumenta el espesor de las capas de IMC y aumenta la resistividad de las uniones de soldadura. En consecuencia, las uniones de soldadura, cuando se exponen a estrés térmico, pueden volverse frágiles y no ser tan capaces de resistir la fatiga mecánica.
Un crecimiento excesivo de intermetálicos puede dar lugar a:
Fragilidad de las uniones de soldadura
Resistencia mecánica reducida
Mayor riesgo de que se desarrollen grietas en el sistema de tuberías
Disminuye la tolerancia al choque térmico y la estabilidad
En general, las uniones de soldadura sobre ENIG presentan tasas de crecimiento de IMC más lentas que otros acabados a base de cobre, pero los ciclos de refusión continuos aún pueden debilitar las uniones de soldadura con el tiempo, especialmente en entornos de funcionamiento severos.
Enriquecimiento de fósforo y degradación de la interfaz
El fósforo está presente en el intervalo de fósforo medio a alto en la capa de níquel químico sin corriente (electroless) en ENIG. El calentamiento repetido provoca la acumulación de fósforo en la interfaz y la difusión de níquel hacia la soldadura.
Una zona tan rica en fósforo puede volverse frágil tras múltiples exposiciones térmicas, lo que conduce a la posibilidad de fallo en la interfaz. Pueden formarse grietas en la interfaz menos bien unida a medida que se aplican tensiones adicionales durante el uso.
El enriquecimiento de fósforo puede conducir a:
Unión de soldadura débil
Mojabilidad reducida
Zonas de fractura frágil
Uniones de soldadura que no se adhieren correctamente.- Fallo de las uniones de soldadura
Por lo tanto, es importante contar con una química ENIG estable y un buen control del recubrimiento para garantizar un buen rendimiento de ensamblaje.
Preocupaciones sobre la almohadilla negra y la soldabilidad
Un problema de fiabilidad común del ENIG es el fenómeno del “black pad”. Cuando se produce una corrosión excesiva en la capa de níquel durante el proceso de inmersión en oro, se crea una superficie oscura que contiene fósforo, la cual interfiere con el proceso de unión de soldadura, dando lugar al “black pad”.
Si bien los defectos de black pad pueden no ser siempre evidentes durante la inspección, la refusión también puede agravar el problema al añadir esfuerzo térmico a interfaces ya debilitadas, debido al número de ciclos de refusión. A veces, las uniones de soldadura pueden parecer buenas al principio, pero fallarán debido a la vibración, el ciclado térmico o los choques mecánicos.
Además del fenómeno de “black pad”, varios ciclos de refusión también pueden provocar una disminución de la soldabilidad debido a:
Oxidación de níquel
Contaminación de superficies
Formación excesiva de IMC
Rendimiento de humectación reducido
Los problemas de fiabilidad están adquiriendo mayor importancia debido al creciente grado de portabilidad, miniaturización y complejidad de los productos electrónicos.
Desafíos en el ensamblaje sin plomo
Los múltiples ciclos de refusión se han acelerado al usar soldadura sin plomo. Los procesos de soldadura sin plomo requieren temperaturas más altas y un tiempo más prolongado por encima del punto de fusión que la soldadura tradicional de estaño-plomo.
Estas condiciones térmicas más extremas aceleran:
Disolución de níquel
Crecimiento intermetálico
Oxidación
Fatiga térmica
Por lo tanto, es más probable que las superficies ENIG se degraden en condiciones sin plomo después de los ciclos térmicos. Esto es particularmente importante para aplicaciones con una larga vida útil, como en la electrónica automotriz, aeroespacial o industrial.
Cómo reducir las fallas relacionadas con el reflujo
Las múltiples condiciones de refusión a menudo exigen que los fabricantes tomen varias precauciones para garantizar la fiabilidad de los acabados ENIG.
Control estricto de procesos
El espesor de níquel, el espesor de oro, el contenido de fósforo y la química del recubrimiento se controlan cuidadosamente para minimizar la posibilidad de aparición de “black pad” y problemas de soldabilidad.
Perfiles de refusión optimizados
Es importante evitar cualquier exposición térmica innecesaria. Una de las mejores maneras en que los fabricantes pueden minimizar las temperaturas máximas, el tiempo por encima del punto de fusión y los ciclos de retrabajo innecesarios es limitar al máximo dichos extremos.
Almacenamiento adecuado y control de la humedad
El rendimiento de la soldadura puede verse afectado negativamente por la humedad y la contaminación. La confiabilidad durante procesos repetidos de refusión se mejora mediante un almacenamiento adecuado, el uso de gabinetes de almacenamiento en seco y la manipulación correcta de componentes sensibles a la humedad.
Acabados de superficie alternativos
Si el rendimiento a altas temperaturas es un requisito crítico para las aplicaciones, algunos fabricantes pueden considerar el uso de ENEPIG o de plata de inmersión, según los requisitos de ensamblaje.
ENIG sigue siendo uno de los acabados de superficie de PCB más fiables y versátiles en la fabricación electrónica actual. Su alta planitud, buena resistencia a la corrosión y compatibilidad con paso fino facilitan las PCB de alta densidad y el ensamblaje SMT avanzado.
Pero varios ciclos de refusión pueden provocar muchos problemas de fiabilidad. Múltiples exposiciones al calor favorecen el crecimiento de compuestos intermetálicos, el enriquecimiento de fósforo, la fragilidad de las uniones de soldadura y, en algunos casos, pueden agravar problemas latentes de “black pad”. Los efectos se acentúan aún más cuando el entorno es libre de plomo, porque se utilizan temperaturas más altas durante el procesamiento.
Para garantizar la fiabilidad a largo plazo de las uniones de soldadura, los fabricantes deben optimizar la calidad del recubrimiento ENIG, los perfiles de refusión y la gestión térmica durante todo el proceso de ensamblaje por soldadura.
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Recursos útiles
•Introducción y comparación de los acabados de superficie de PCB
•Las directrices más completas para la selección del acabado superficial
•Comparación entre el procedimiento de fabricación con soldadura con plomo y sin plomo en PCBA
•Elementos que influyen en la calidad de la soldadura SMT y medidas de mejora
