¿La SMT está lista para soldaduras de baja temperatura?

Sin un estándar a la vista, las aleaciones emergentes requieren de flux y procesos únicos.

La SOLDADURA DE BAJA TEMPERATURA es un tema de gran interés y desarrollo. Varios puntos están guiando hacia la implementación de soldaduras con bajas temperaturas en el pico de reflujo que SAC305 y sus variantes. El más significativo desde el punto de vista técnico es la reducción de la deformación de componentes y sustratos. Los proveedores de chips están particularmente interesados en temperaturas de reflujo más bajas, ya que se necesitan componentes más delgados para cumplir con las limitaciones dimensionales de dispositivos más delgados, pequeños y rápidos. Cuando un componente se deforma durante el reflujo, la interconexión de soldadura puede verse comprometida, lo que resulta en aperturas non-wet (NWO). Los defectos NWO son difíciles de detectar y pueden no manifestarse hasta después de que un producto está en el campo. Otras ventajas de la soldadura de baja temperatura incluyen la incorporación de plásticos, componentes y materiales laminados de menor costo, y menor consumo de energía y beneficios ambientales relacionados.

En la práctica, las aleaciones de SnBi son los únicos elementos disponibles para reducir las temperaturas en el pico de reflujo. Desafortunadamente, las aleaciones con alto contenido de bismuto tienen una serie de desventajas en comparación con las aleaciones de estaño / plata / cobre que actualmente se usan. Las aleaciones de bismuto exhiben un rendimiento mecánico y de fatiga térmica más pobre que los materiales basados en SAC. Las adiciones de elementos menores y los elementos de micro aleaciones pueden mejorar el rendimiento de las aleaciones de SnBi, pero, en general, conservarán las propiedades de sus constituyentes principales y carecerán de confiabilidad y el rendimiento de sus referentes basados en SAC. Incluso con estas limitaciones, las aleaciones de SnBi se pueden adoptar para su uso en SMT y through-hole, pero los principales beneficios se derivan de los ensamblajes de montaje superficial.

Las aleaciones de baja temperatura generalmente se refieren a aleaciones con requisitos de pico de reflujo inferiores a 190°C, con materiales típicos basados en SnBi que tienen requisitos de pico de reflujo de 170° a 190°C. La fragilidad impartida por el bismuto se puede reducir aumentando la proporción de estaño a bismuto del eutéctico Sn42Bi58. Sin embargo, la reducción del contenido de bismuto aumenta significativamente el rango viscoso / plástico de la aleación de SnBi, lo que puede afectar tanto la capacidad del proceso como la confiabilidad del producto. La incorporación de elementos adicionales en un sistema de SnBi puede mejorar el rendimiento mecánico y térmico, pero puede aumentar la temperatura de fusión, anulando así la razón principal para adoptar materiales de baja temperatura, o incluso afectar negativamente las características de procesamiento. Históricamente, la plata se ha utilizado con SnBi para mejorar la resistencia y es una adición común de SnBi. Otros elementos incorporados son el cobre, que reduce ligeramente la temperatura de fusión y mejora el rendimiento mecánico. El antimonio también mejorará la resistencia, pero puede aumentar significativamente la temperatura de fusión, mientras que el níquel suprimirá la formación intermetálicos frágiles en la interfaz de la junta. Estos aditivos también afectan la ductilidad de la aleación (reducción de la fragilidad), dependiendo de la cantidad incorporada.

Además de estos desafíos de las aleaciones, es necesario desarrollar sistemas de flux completamente nuevos para abordar las propiedades únicas de las aleaciones que contienen bismuto. Estas aleaciones no solo tienen diferentes propiedades mecánicas y térmicas, sino que sus características y requisitos de soldadura pueden ser bastante diferentes de las aleaciones SAC a las que reemplazan. Además de las variables de elemento de la aleación, las nuevas aleaciones deben ser compatibles con otros materiales en la PCB. Los efectos del acabado de la superficie, el estañado de los componentes y otras superficies soldadas aún no se han definido claramente. Los proveedores de soldaduras están promocionando muchas opciones de aleaciones de baja temperatura y aún no ha surgido un "estándar". Con todas estas variables de inicio, elementos constituyentes, elementos aditivos y su cantidad y efecto sobre el rendimiento de la aleación de soldadura, es poco probable que una sola aleación de baja temperatura cumpla con todos los requisitos de la aplicación.

Las aleaciones SAC son sustitutos exitosos, aunque con un gasto y una interrupción considerables, para la mayoría de las aplicaciones electrónicas. Ahora, con casi 20 años de historia, la mayoría de las industrias se sienten cómodas con el rendimiento y los requisitos del sistema de aleación SAC. A medida que el mundo de la electrónica continúa evolucionando, las aleaciones a temperaturas más bajas son la próxima frontera de los materiales de interconexión de soldadura. Algunas industrias pueden adoptar sistemas de baja temperatura con relativa facilidad con un riesgo mínimo, y es probable que las aplicaciones de consumo y desechables sean las primeras en adoptar debido a las ventajas de costos. Otras industrias observarán atentamente estos desarrollos para comprender los riesgos y requisitos ocultos. La pregunta para la mayoría de los usuarios es ¿puedo o debo usar baja temperatura en mis ensamblajes? La respuesta se complica por la cantidad de opciones disponibles, la ecuación riesgo / recompensa y los recursos necesarios para investigar y desarrollar un proceso viable de ensamblaje a baja temperatura. Lo decimos a menudo, pero es importante que su proveedor de soldadura lo guíe.

Escrito por Tim O’Neill, AIM Director of Product Management

Publicado en CIRCUITS ASSEMBLY