Aleaciones alternativas para soldadura sin Plomo (Pb) S.Sehar – Indium Corporation [email protected]RESUMEN Este trabajo aborda una serie de aleaciones alternativas para soldadura sin Pb, incluida la SAC305 de uso general, y las compara con el referente de soldadura SnPb eutéctica. Estas aleaciones alternativas se desarrollaron por varias razones: baja temperatura de procesamiento, bajo costo, alta resistencia mecánica al impacto, y alto rendimiento en ciclos térmicos, así como reemplazo de las interconexiones de alto contenido en plomo (aplicaciones die attach en paquetes de componentes). Estas aleaciones alternativas ofrecen mejoras significativas en confiabilidad y abordan los desafíos específicos de SAC, como altas temperaturas de procesamiento, huecos (voiding), mojado (wetting), fragilidad, y el alto costo de la plata. Varias aleaciones lucen promisorias como materiales de reemplazo para aplicaciones en productos específicos. Estas son SnBiAg y SnInX para bajas temperaturas de procesamiento; SACM y SACTi para resistencia superior a impacto por caídas y buen desempeño en ciclos térmicos; BiAgX para aplicaciones die attach a alta temperatura; y Sn992 y Sn995 con la adición de Bi y Co para soldadura de bajo costo. Este trabajo se enfocará en el trabajo hecho con SAC de bajo contenido de Ag y dopado con Mn (SACM), en especial en lo relacionado con desempeño ante impacto por caídas y ciclos térmicos. También discutirá la potencial aleación para reemplazo del alto contenido en plomo, BiAgX, como sustituto para interconexiones die attach a alta temperatura en aplicaciones de paquetes de componentes. INTRODUCCIÓN A comienzos del 2000, cuando la manufactura de electrónicos empezó la transición hacia materiales de soldadura libres de Pb en respuesta a los requerimientos RoHS, se propuso una serie de alternativas libres de Pb. En ese momento, la mayor parte de la industria apostó a aleaciones SnAgCu. Para el 2008, la aleación más común en uso era SAC305, cuya composición es 96.5%Sn/3.0%Ag/0.5%Cu. Si bien esta aleación se ha utilizado con éxito, presenta varias desventajas que perjudicaron su adopción. Una de ellas fue la fragilidad de las uniones soldadas en pruebas de impacto por caídas relativa a 63Sn/37Pb, y otra fue el alto costo de la Ag. La buena resistencia al impacto por caída es particularmente crítica para dispositivos portátiles que emplean paquetes matriciales (AAP, area array packages) como los BGA (ball grid array) y los CSP (chip scale package). Reducir el contenido de plata a 1,0 mejoró drásticamente el rendimiento en impacto por caídas, pero redujo también el rendimiento en ciclos térmicos. Hay una serie de aleaciones alternativas que han sido desarrolladas, algunas en uso dentro de la industria, para abordar estos desafíos. Sin embargo, no hay una solución única para caídas cuando hablamos de aleaciones. Las necesidades en ensambles de electrónica y microelectrónica son amplias y es improbable que una sola aleación pueda responder a todos sus requerimientos. Por tanto, es importante comprender las diferencias entre aleaciones y su impacto en el proceso de ensamblado y la confiabilidad. Las opciones libres de Pb para soldadura a alta temperatura (sobre 260°C) siguen sin ser determinadas mientras se aproxima el plazo impuesto por RoHS para eliminar el plomo de estos tipos de soldaduras. Las soldaduras libres de plomo para alta temperatura (HTLF, por su sigla en inglés) alternativas diseñadas para reemplazar las aleaciones convencionales con alto contenido de plomo, es decir, Pb5Sn y Pb5Sn2.5Ag ; siguen lejos de haber alcanzado la madurez. Aunque no hay reemplazo en rendimiento ante
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Aleaciones alternativas para soldadura sin Plomo (Pb)S.Sehar – Indium Corporation [email protected]
RESUMENEste trabajo aborda una serie de aleaciones alternativas para soldadura sin Pb, incluida la SAC305 de uso general, y las compara con el referente de soldadura SnPb eutéctica. Estas aleaciones alternativas se desarrollaron por varias razones: baja temperatura de procesamiento, bajo costo, alta resistencia mecánica al impacto, y alto rendimiento en ciclos térmicos, así como reemplazo de las interconexiones de alto contenido en plomo (aplicaciones die attach en paquetes de componentes). Estas aleaciones alternativas ofrecen mejoras significativas en confiabilidad y abordan los desafíos específicos de SAC, como altas temperaturas de procesamiento, huecos (voiding), mojado (wetting), fragilidad, y el alto costo de la plata. Varias aleaciones lucen promisorias como materiales de reemplazo para aplicaciones en productos específicos. Estas son SnBiAg y SnInX para bajas temperaturas de procesamiento; SACM y SACTi para resistencia superior a impacto por caídas y buen desempeño en ciclos térmicos; BiAgX para aplicaciones die attach a alta temperatura; y Sn992 y Sn995 con la adición de Bi y Co para soldadura de bajo costo. Este trabajo se enfocará en el trabajo hecho con SAC de bajo contenido de Ag y dopado con Mn (SACM), en especial en lo relacionado con desempeño ante impacto por caídas y ciclos térmicos. También discutirá la potencial aleación para reemplazo del alto contenido en plomo, BiAgX, como sustituto para interconexiones die attach a alta temperatura en aplicaciones de paquetes de componentes.
INTRODUCCIÓNA comienzos del 2000, cuando la manufactura de electrónicos empezó la transición hacia materiales de soldadura libres de Pb en respuesta a los requerimientos RoHS, se propuso una serie de alternativas libres de Pb. En ese momento, la mayor parte de la industria apostó a aleaciones SnAgCu. Para el 2008, la aleación más común en uso era SAC305, cuya composición es 96.5%Sn/3.0%Ag/0.5%Cu. Si bien esta aleación se ha utilizado con éxito, presenta varias desventajas que perjudicaron su adopción. Una de ellas fue la fragilidad de las uniones soldadas en pruebas de impacto por caídas relativa a 63Sn/37Pb, y otra fue el alto costo de la Ag. La buena resistencia al impacto por caída es particularmente crítica para dispositivos portátiles que emplean paquetes matriciales (AAP, area array packages) como los BGA (ball grid array) y los CSP (chip scale package). Reducir el contenido de plata a 1,0 mejoró drásticamente el rendimiento en impacto por caídas, pero redujo también el rendimiento en ciclos térmicos. Hay una serie de aleaciones alternativas que han sido desarrolladas, algunas en uso dentro de la industria, para abordar estos desafíos. Sin embargo, no hay una solución única para caídas cuando hablamos de aleaciones. Las necesidades en ensambles de electrónica y microelectrónica son amplias y es improbable que una sola aleación pueda responder a todos sus requerimientos. Por tanto, es importante comprender las diferencias entre aleaciones y su impacto en el proceso de ensamblado y la confiabilidad. Las opciones libres de Pb para soldadura a alta temperatura (sobre 260°C) siguen sin ser determinadas mientras se aproxima el plazo impuesto por RoHS para eliminar el plomo de estos tipos de soldaduras. Las soldaduras libres de plomo para alta temperatura (HTLF, por su sigla en inglés) alternativas diseñadas para reemplazar las aleaciones convencionales con alto contenido de plomo, es decir, Pb5Sn y Pb5Sn2.5Ag ; siguen lejos de haber alcanzado la madurez. Aunque no hay reemplazo en rendimiento ante caídas para las soldaduras HTLF, BiAgX ha demostrado ser una alternativa y una potencial solución para aplicaciones die attach.
SELECCIÓN DE SAC305 Y SUS DESAFÍOSCuando se preparaba la implementación de RoHS en el 2006, había varios candidatos en aleaciones para soldadura que se ofrecieron como potenciales reemplazos del SnPb estándar. Un factor decisivo en el proceso de selección fue la temperatura de fusión de la aleación. La Tabla 1 muestra los candidatos y sus temperaturas de fusión comparadas con SnPb.
La temperatura de fusión de BiSn se consideró demasiado baja, y la de SnSb y de SnCu, demasiado alta. Estos tres candidatos fueron descartados en la etapa inicial del proceso. Las aleaciones restantes fueron seleccionadas y consideradas como alternativas posibles a partir de sus aplicaciones. SnInAg quedó hecha a un lado a raíz de su elevado costo. SnBiAg era la que tenía más potencial con un rendimiento aceptable en soldadura; sin embargo, el bismuto (Bi) no es compatible con el plomo. Cuando se mezcla Pb con Bi, existe la posibilidad de que se forme una fase de fusión baja de SnPbBi que se funde a los 96°C. Dado que había varias aplicaciones mezcladas (p. ej., soldaduras sin plomo y con plomo) en la etapa inicial de la transición, esta aleación también fue considerada inaceptable. Ante esta situación, la industria tuvo que elegir a SnAgCu (SAC) como la aleación para soldadura a elegir para SMT. Originalmente, había tres variaciones de SAC preseleccionadas: SAC305, SAC387 y SAC405. Al final, se eligió a SAC305 por su menor contenido de Ag y costo más bajo. El menor contenido de Ag también mostró un índice de componentes levantados (tombstone) menor como se indica en la Figura 1.
Tabla 1. Temperaturas de fusión para varios candidatos libres de Pb.
Figura 1. Índice tombstone de varias aleaciones SAC comparadas con SnPb.
Si bien la aleación seleccionada para ensamble SMT fue SAC305, presentó sus propios desafíos. Los principales fueron la temperatura de fusión más alta y la convergencia de la industria hacia ensambles miniaturizados. La mayor temperatura de reflujo impuso una importante cuota de estrés sobre los componentes, tarjetas y proceso. Se observó un aumento en la deslaminación de tarjetas o filamento anódico conductivo [1] y distorsión de componentes (BGA). La Figura 2 muestra el índice de distorsión bajo temperaturas en aumento.
La transición a soldaduras libres de Pb parecía enfrentarse a un riesgo significativo de fragilidad en las uniones soldadas, asociado con todos los acabados de superficie en las tarjetas utilizados comúnmente [2]. La Figura 3 muestra que las aleaciones SAC son más frágiles bajo condiciones de alta tensión comparadas con el SnPb estándar. A mayor contenido de Ag, más dura es la aleación, lo que la torna más propensa a fractura por fragilidad durante impacto mecánico, como se muestra en el rango de tensión por cizallamiento cíclico para SnPb comparado con SAC en la Figura 3. No obstante, la confiabilidad sin Pb no es una comparación A-B con SnPb. Depende muchísimo del tipo de componente, proceso de ensamble, condiciones de prueba y la aleación para soldadura. [3]
Aparte de otros desafíos en el proceso, como la capacidad de mojado y la generación de huecos a altas temperaturas, el costo de SAC, en particular de la Ag, ha registrado notables alzas en los últimos años. Estas condiciones han llevado a algunas compañías a buscar alternativas para SAC. La Figura 4 muestra la tendencia de costo para SAC305 y la volatilidad de los precios de los metales.
Figura 2. Distorsión BGA por temperatura.
Figura 3. Rango de correlación entre c-life y tensión por cizallamiento en ciclo para conjuntos de chips sin revestimiento. (Jean-Paul Clech,”Lead-free and Mixed Assembly Solder Joint Reliability Trends”, APEX S28-3, Anaheim, CA febrero de 2004).
Figura 4. Tendencia en costo de SAC305 entre Agosto de 2010 y Mayo de 2013.
OPCIONES A BAJA TEMPERATURA DE FUSIÓNUna soldadura de baja temperatura constituye una ventaja porque los requerimientos de menor temperatura para procesamiento térmico pueden disminuir el daño térmico por aleaciones de fusión a alta temperatura. Defectos como la deslaminación o “pop-corning” de los dispositivos sensibles a la humedad (MSD, por su sigla en inglés), se pueden minimizar o eliminar utilizando soldaduras con menor temperatura. Los modos de falla de deslaminación o pop-corning se producen cuando la humedad se difunde en los componentes de plástico y posteriormente se expande con rapidez ante el calentamiento. Las aleaciones de menor temperatura también pueden usarse con componentes sensibles a la temperatura o soldadura escalonada (step soldering) o procesos de re trabajo. Dos aleaciones candidatas que se utilizan ampliamente y son consideradas para soldadura libre de Pb a baja temperatura son 58Bi/42Sn y 57Bi/42Sn/1Ag. 58Bi/42Sn tiene un punto de fusión eutéctica de 138°C. El rendimiento en condiciones de mojado se compara al de SnPb tanto en reflujo de nitrógeno y aire sobre varios acabados superficiales. La adición de plata a SnBi hace que la aleación para soldadura sea más dúctil y mejore la vida útil ante fatiga térmica comparada con BiSn eutéctica. La aleación 57Bi/42Sn/1Ag tiene un rango de temperatura de fusión de 139°C -140°C. La aplicación de soldaduras de baja temperatura en procesos de ensamble SMT para productos que no experimentan un entorno de temperaturas rigurosas es técnicamente factible. El ensamble a baja temperatura es una manera prometedora de aumentar la flexibilidad del proceso y la confiabilidad de componentes. Esta opción de baja temperatura es adecuada para componentes sensibles al calor y para aplicaciones que requieren temperaturas de operación menores. Las temperaturas de bajo reflujo brindan la oportunidad del menor costo en general para PCB, componentes, uso de equipo de reflujo, y proceso. La Figura 5 muestra el perfil típico usado para aleación con baja temperatura de fusión y la apariencia de mojado de la soldadura. [4]
Figura 5. Perfil de reflujo de BiSn y apariencia de mojado de la soldadura.
Existen algunos temores con las aleaciones que contienen bismuto, dado que el bismuto tiende a ser bastante frágil. De ahí que estas aleaciones no sean adecuadas en absoluto para dispositivos que experimentarán impacto por caída, como los teléfonos móviles. Sin embargo, las aleaciones que contienen bismuto se desempeñan bien en aplicaciones que demandan buen rendimiento en ciclos térmicos, como servidores, computadoras centrales y otros dispositivos estáticos. El bismuto y las aleaciones que contienen bismuto son únicas en el sentido que se expanden con el enfriamiento, lo que puede causar problemas como despegado de láminas (fillet lifting) en componentes con perforaciones metalizadas ( through hole ), y si se usa en una aplicación donde hay plomo, el bismuto puede formar una aleación eutéctica con un punto de fusión bajo a los 96°C. Este temor fue un verdadero problema cuando la industria hizo por primera vez la transición a libre de plomo, porque la mayoría de los ensambles eran solo parcialmente libres de plomo y la contaminación por plomo era un temor real. A medida que se ha avanzado en la transición, esta situación ha disminuido en gravedad. Hewlett Packard (HP) realizó un amplio estudio sobre esta aleación con baja temperatura de fusión [7]. El estudio de HP descubrió que BiSnAg tiene una mayor resistencia ante la tensión por cizallamiento que SnPb a los 20°C, una resistencia comparable ante la tensión por cizallamiento a los 65°C, y una resistencia menor, pero comparable a la de Sn63, a la tensión por cizallamiento a los 110°C.
OPCIONES DE BAJO COSTO - SIN PLATA (Ag)Una alternativa de bajo costo a las aleaciones SAC casi eutécticas para ensambles libre de plomo es importante para fabricar productos electrónicos de precio accesible. Los precios de los metales, en especial de la plata, han sido un problema para muchos fabricantes. Las aleaciones con alto contenido de Ag, como SAC305, SAC387, y SAC405, siguen predominando cuando se trata de confiabilidad en ciclos térmicos, mientras que las aleaciones SAC con bajo contenido de Ag, como SAC105 y SAC0307, son preferidas por su resistencia a impactos por caída. Las aleaciones con bajo contenido de Ag tienen un desempeño deficiente, aparte de menor rendimiento en ciclos térmicos. Para compensar las concesiones en rendimiento, se introdujeron dopantes como una forma de mejorar las propiedades como el mojado, apariencia y confiabilidad, y sin embargo mantener características de reflujo similares. Aparentemente cada proveedor tiene su propia variación, como SN100C, SACX, SACM, y Sn992. Cada una de estas aleaciones tiene una combinación distinta de dopantes y, según se ha sugerido, niveles levemente distintos de rendimiento, aunque es difícil caracterizar cuánto.
La aleación Sn992 contiene 99.2%Sn/0.5%Cu/0.3%Bi+Co. Varios experimentos iniciales sobre la conducta en mojado y formación de IMC arrojan resultados prometedores para esta aleación, aunque se requieren más pruebas sobre confiabilidad. La Figura 6a y la Figura 6b muestran la comparación del mojado entre Sn992 y SAC387 con alto contenido de Ag. Esta comparación se hizo con el mismo vehículo de fundente, carga de metal, y tamaño de polvo con tarjetas nuevas y oxidadas, y después fueron sometidas a reflujo con el mismo perfil de reflujo con aumento progresivo hasta un nivel máximo (máximo 240°C). Se observó la coalescencia y difusión de la soldadura [8] usando DSC. La temperatura de fusión de Sn992 es 227°C. ¿Las aleaciones con conductas de fusión tan diversas formarán una buena unión de soldadura con el mismo perfilado de reflujo? Se realizó otro experimento donde Sn992 fue impresa y sometida a reflujo con componentes QFN en tarjetas de prueba con pistas de cobre terminadas con OSP bajo las mismas condiciones de procesamiento que las soldaduras SAC. Se hizo un corte transversal en los QFN y grabado con ácido para revisar el espesor IMC directamente después del reflujo.
Las Figuras 7a, 7b, 7c, y 7d son imágenes SEM donde se compara la capa de compuesto intermetálico (IMC) de SAC305 con la de SAC105, SAC0307, y Sn992. Pese a las diferencias inherentes en microestructura para cada aleación, las formaciones de capa IMC parecen tener espesor similar, del orden de 1μm [8]. También se descubrió que la incorporación de una pequeña cantidad de bismuto no afectó el punto de fusión de manera significativa como se muestra en la Figura 8. El bismuto acentuó el mojado del ensamble libre de Pb al descomponer las dendritas de Sn y fomentar una estructura de grano refinado. Las pruebas iniciales muestran que incluso sin lata, se puede alcanzar un rendimiento similar del proceso; sin embargo, se requiere más trabajo relacionado con el desempeño en servicio de esta aleación. Con todo, esta opción está disponible para productos de bajo costo con requisitos mínimos de confiabilidad.
Figura 6a. Patrón de mojado para SAC387. Figura 6b. Patrón de mojado para Sn992.
Figura 7a. Una unión soldada SAC305 desgastada con ácido. Figura 7b. Una unión soldada SAC305 desgastada con ácido.
Figura 7c. Una unión soldada SAC305 desgastada con ácido. Figura 7d. Una unión soldada SAC305 desgastada con ácido.
Figura 8. Fundición de SnCu con incorporación adicional de Bi.
OPCIONES CON BAJO CONTENIDO DE PLATA (Ag)A partir de los desafíos en costo y desempeño ante impacto por caídas que presenta SAC305, existe un gran interés por contar con opciones de aleación para soldadura con bajo contenido de plata dentro de la familia SAC, en particular para aplicaciones en dispositivos móviles. Se adoptó opciones con el fin de rebajar costos y evitar el efecto de la volatilidad en el precio de la plata. La lista de aleaciones es limitada, lo que hace que el esfuerzo por desarrollar una aleación nueva sea un gran reto. La industria se inclinó a aleaciones SAC con menor contenido de Ag como SAC105 (98.5Sn/1.0Ag/0.5Cu) y SAC0307 (99.0Sn/0.3Ag/0.7Cu) porque se ha demostrado que el bajo contenido de Ag ha alcanzado mejoras en pruebas de rendimiento en impacto por caídas o impacto mecánico de la unión soldada. Sin embargo, el aspecto negativo fue que las aleaciones con menor contenido de Ag tienen un rendimiento deficiente en los ciclos térmicos comparado con las aleaciones de alto contenido de Ag. Las aleaciones con bajo contenido de Ag
Punto de Fusión de SnCu + Bi
también tienen una temperatura de fusión más alta, del orden de 7°C. La Figura 9 muestra las limitaciones asociadas con el ajuste de la cantidad de Ag en la aleación para soldadura SAC. Considerando los problemas que acarrean la fragilidad de SAC305 y el desempeño térmico de SAC105, la industria hizo nuevas investigaciones y comenzó a incorporar dopantes. Se usó SAC105 como base para mejorar más el desempeño ante impacto mecánico, que seguía siendo inferior a SnPb. Se investigó varios dopantes, como la adición de Bi, Ti, Ce, Mn, AlNi, Ge, e Y [5]. Asimismo, se estudió varias combinaciones y porcentajes de dopantes. Un ejemplo del rendimiento en pruebas de caídas para muestras envejecidas térmicamente de las aleaciones dopadas se muestra en la Figura 10. Los resultados de pruebas de caídas indican el potencial de los dopantes comparados con SAC105 puro.
Figura 9. Tendencia de confiabilidad general con cambios en contenido Ag para aleación SAC.
Figura 10. Resultados de pruebas de caída en muestras luego de envejecimiento térmico a 150°C por 4 semanas.
En este trabajo, nos vamos a concentrar en la evolución de SACM (SAC + manganeso) que ha mostrado una mejora significativa en rendimiento térmico y confiabilidad mecánica. SACM es una aleación que consiste en 0.5-1% Ag, 0.5-1% Cu, < 0.1% Mn. Las Figuras 11 y 12 muestran la vida característica (C-life) y el primer fracaso en la respuesta al Test de Caída JEDEC (JDT) para TFBGA (NiAu) sobre las PCB tratadas con OSP, respectivamente. En general, la C-life de aleaciones para dispositivos "al ser refluidos" se clasifica así: SACM > SAC105 > SnPb > SAC305. Por otro lado, la clasificación de las aleaciones para primer fracaso para condiciones "al ser refluidos" se clasifica así: SACM > SnPb > SAC105 > SAC305. Para dispositivos envejecidos térmicamente o sometidos a ciclos de temperatura, la clasificación es la siguiente: SnPb > SACM > SAC105 > SAC305. [6]
Figura 11. C-life en JDT para TFBGA (NiAu) en PCB (OSP) sometida a ciclos.
Figura 12. Primer fracaso en JDT para TFBGA (NiAu) en PCB (OSP).
Tests de ciclos térmicos (TCT) para dispositivos con TFBGA (NiAu), ensambles sobre PCB tratadas con OSP, y envejecidas a 150°C por 250 hrs. (Figuras 13 y 14) muestran la C-life y el primer fracaso para TCT, respectivamente. En general, la C-life de aleaciones para dispositivos "al ser refluidos" se puede clasificar así: SAC305 > SACM > SAC105 > SnPb. Sin embargo, para dispositivos envejecidos térmicamente o sometidos a ciclos de temperatura, la clasificación de la C-life es la siguiente: SACM, SAC305 > SAC105 > SnPb. La clasificación de las aleaciones considerando el primer fracaso para dispositivos " al ser refluidos " es: SnPb > SACM > SAC105 > SAC305. Para dispositivos envejecidos térmicamente o sometidos a ciclos de temperatura, la clasificación según primer fracaso es la siguiente: SACM > SAC105 > SnPb > SAC305. Aunque SAC305 presenta una buena C-life, la deficiencia observada en el primer fracaso podría ser una preocupación para aplicaciones de alta confiabilidad. [6]
SACM muestra una estructura de IMC más acabada y fina en la interfaz, y la inclusión de dopantes en el IMC también puede alterar la cristalinidad y, por eso, disminuir la fragilidad de la capa de IMC. Una estructura de IMC buena y estable puede ser el principal factor positivo y la estructura de grano estabilizada que resulte puede ser la causa secundaria para que SACM exhiba una alta confiabilidad TCT.
Figura 13. C-life de TCT para TFBGA (NiAu) en PCB tratadas con OSP.
Figura 14. Primer fracaso en TCT para TFBGA (NiAu) en PCB tratadas con OSP.
La Figura 15 muestra la microestructura de la interfaz de las uniones de soldadura TFBGA (NiAu) en PCB tratadas con OSP y envejecidas a 150°C. SACM mostró una capa de IMC interfacial más delgada y suave que SAC105 en los lados de la PCB y el paquete. El mecanismo para arrojar un alto desempeño en pruebas de caída y una alta confiabilidad en ciclos térmicos se puede atribuir a una microestructura estabilizada, con distribución uniforme de las partículas de IMC finas, presumiblemente por la inclusión de Mn en IMC. [6]
Figura 15. La interfaz de uniones de soldadura de esferas de soldadura con acabado NiAuTFBGA en pistas de PCB tratadas con OSP y envejecidas a 150°C.
OPCIONES A ALTA TEMPERATURADesde el 2006, la industria SMT ha cumplido con los estándares RoHS y WEEE más que nada a través de la eliminación del plomo como uno de los elementos controlados clave. No obstante, los fabricantes de ensambles, que usan materiales con alto contenido de plomo, siguen exentos de estos requisitos hasta el año 2014, exención que podría prolongarse hasta el año 2016. El motivo para esto es que no hay solución de parte de la industria en una aleación libre de Pb adecuada que reemplace las aleaciones con alto contenido de plomo comunes, como 95Pb/5Sn y 92.5Pb/5Sn/2.5Ag . La Tabla 2 muestra las aleaciones libres de Pb actualmente disponibles entre las que se puede elegir. Dado que uno de los requerimientos clave para una aleación para alta temperatura sea tener estado sólido a una temperatura de 260°C de manera que pueda tolerar el reflujo SMT hasta una temperatura máxima de 260°C, la mayoría de las aleaciones no serviría como reemplazo. Salvo las aleaciones derivadas de AuSn, como 80Au20Sn, no existe un candidato real. AuSn se usa en aplicaciones muy específicas, debido a los costos de material muy altos. BiAg pareció ser una aleación con potencial como reemplazo directo, pero entre sus desventajas figuran la escasa ductilidad y el mojado deficiente. La industria requería una aleación con temperatura de procesamiento inferior a 400°C, compatibilidad con los principales acabados superficiales, confiabilidad comparable con las actuales aleaciones de alto contenido de plomo, y bajo costo. Un equipo dirigido por el Dr. Ning-Cheng Lee trabajó en la aleación de BiAg con otras aleaciones secundarias como BiSn y desarrolló una tecnología poderosa de aleación combinada denominada BiAgX . [9] La tecnología de pasta de soldadura en polvo basada en aleación mixta se inventó para mejorar de manera eficiente la química de reacción interfacial. La aleación secundaria contiene elementos que reaccionarán de manera relativamente agresiva con varios materiales de acabado superficial, como Cu, Ag, Ni y Au durante el reflujo, y ofrece el mojado requerido.
Tabla 2. Materiales estándar libres de Pb para alta temperatura estándar y temperatura de fusión.
Al soldar, el polvo de soldadura secundarios se fundirá antes que, o junto con, el polvo de soldadura primaria esparcido en la superficie de las partes a unir (bonding), y reaccionará con los materiales del acabado superficial. En este proceso, la soldadura aditiva dominará la formación de una capa IMC en la interfaz y los elementos activos en la soldadura aditiva se convertirán por completo en IMC (incluida la capa de IMC interfacial y los precipitados de IMC en la matriz de unión) después del reflujo. Posteriormente, los constituyentes no activos restantes de las soldaduras secundarias se mezclarán por completo con el polvo de soldadura primario fundido y se solidificarán juntos para formar una unión de soldadura homogénea. La Figura 16 presenta la idea de diseño de esta tecnología. [9]
Figura 16. Idea de diseño del sistema de soldadura en pasta mezclada.
Figura 17a. Mojado de BiAg sobre Muestra de Cu. Figura 17b. Mojado de BiAgX sobre Muestra de Cu.
Con un sistema de pasta de soldadura mezclada según el diseño correcto, la aleación secundaria no debería influir en la conducta de fusión de la primera aleación. La Figura 17a y la Figura 17b muestran la apariencia del mojado en soldadura BiAg en una muestra de Cu comparado con el mojado del sistema de soldadura BiAgX. La Figura 18 muestra la calorimetría de barrido diferencial (DSC) resultante que se obtuvo con una soldadura en pasta mezclada BiAgX seleccionada (BiSn+BiAg+fundente). Se observa un pequeño nivel máximo de fusión en torno a los 140°C correspondiente a la temperatura de fusión de la fase BiSn para los polvos secundarios, seguido de la fusión de la primera aleación (BiAg) con una temperatura inicial de 262° C. Esta observación indica que no quedan fases BiSn eutécticas en el segundo DSC. Esto significa que el elemento reactivo en Sn en BiSn se transforma por completo en IMC sea mediante la formación de capas de IMC interfaciales con materiales de acabado superficial o formando los IMC dentro de la unión al reaccionar con la Ag de la primera aleación, polvo de BiAg, durante la etapa de reflujo.
Figura 18. DSC para el sistema de soldadura en pasta mezclada BiAgX.
Se comparó la resistencia ante la tensión por cizallamiento del enlace establecido en las uniones, hechas del sistema de soldadura en pasta mezclada y la soldadura con alto contenido de plomo. Se realizaron tests para evaluar la resistencia ante la tensión por cizallamiento en fundido de Si plateado con TiNiAu en el paquete de Cu expuesto para simular aplicaciones típicas de la industria. La Figura 19 muestra los resultados de los tests para evaluar resistencia ante tensión por cizallamiento de los enlaces de las uniones realizadas utilizando ocho soldaduras en pasta distintas (BiAgX con fundentes distintos) y la soldadura en pasta con alto contenido de plomo, luego de ser refluida, y también después de envejecimiento a 200°C por 500 horas. Después del envejecimiento, la mayoría de las pastas BiAgX no mostraron un ablandamiento evidente y la resistencia del enlace es relativamente más alta que la soldadura con alto contenido de plomo. [9]
Figura 19. Resistencia ante tensión en enlace para uniones después del reflujo y envejecimiento.
La Figura 20 muestra las mediciones para resistencia ante tensión por cizallamiento del enlace tras someter las muestras a ciclos térmicos de entre -55°C y +125°C durante 2000 ciclos. Estos tests se realizaron sobre vehículos de paquetes de matriz de Si de 0.125”. Todas las distintas mezclas de soldadura en pasta BiAgX mostraron una reducción en la resistencia del enlace después del test TCT, aunque significativamente mayor comparada con la de soldadura con alto contenido de plomo. [9]
Figura 20. Resistencia ante tensión por cizallamiento del enlace para uniones tras tests TCT de 2000 ciclos.
Se estudió el espesor de la capa de IMC para la pasta BiAgX. Con un mayor tiempo de envejecimiento, aumenta el espesor de la capa de IMC (observado en imágenes de secciones transversales) para soldaduras con alto contenido de plomo, mientras que el de la soldadura BiAgX no mostró un cambio significativo, como se muestra en la Figura 21. El espesor de IMC se expresa como la relación entre el espesor de IMC medido y el espesor de la línea de adhesión. La insensibilidad de la capa de IMC en BiAgX se puede atribuir al hecho de que la mayor parte del elemento reactivo fue consumida para formar la capa de IMC durante la soldadura y no quedaba más elemento reactivo disponible en la unión para fomentar el crecimiento adicional de IMC hacia el envejecimiento. [9]
Figura 21. Espesor de IMC relativo de soldaduras con alto contenido de plomoY el polvo mezclado de la soldadura BiAgX.
CONCLUSIÓNEn los últimos años, la industria de la electrónica ha adquirido una experiencia sustancial con soldaduras libres de Plomo (Pb). Algunas de las limitaciones de SAC305 ahora se comprenden mejor y se está trabajando permanentemente para superarlas. Algunos de los desafíos clave de SAC305 eran la alta temperatura de procesamiento, la volatilidad del precio de la plata, y el rendimiento deficiente en tests de caídas. Se entiende entonces que distamos mucho de hallar una solución con una sola aleación para abordar todos estos desafíos. La aleación SnBiAg para baja temperatura es adecuada para aplicaciones específicas donde el conjunto requiere procesamiento térmico bajo para evitar daño térmico a los componentes. La aleación Sn992 sin contenido de plata y bajo costo está disponible para quienes fabrican productos que demandan baja confiabilidad. La SAC con bajo contenido de Ag y con dopante, SACM, es un material prometedor en cuanto a rendimiento térmico e impacto por caídas, así como para disminuir la volatilidad del precio asociada con el alto contenido de Ag, aunque la temperatura de fusión está en el lado más alto comparado con la SAC305.
Mientras los fabricantes de paquetes que usan aleaciones con alto contenido de Pb se esfuerzan por cumplir el plazo impuesto por RoHS, los potenciales reemplazos siguen siendo evaluados. BiAgX parece estar a la vanguardia entre los candidatos que estarán listos cuando se cumpla el plazo. El sistema de soldadura en pasta BiAgX ha mostrado que mejora los resultados en cuanto a resistencia de la adhesión respecto de las actuales aleaciones con alto contenido de Pb.
Este documento se presentó por primera vez en la Conferencia sobre Soldaduras y Confiabilidad IPC Sureste Asiático 2013.
REFERENCIAS[1] L.J. Turbini, W.R. Bent, W.J. Ready, “Impact Of Higher Melting Lead-Free Solders On The Reliability Of Printed Wiring Assemblies”, SMTA International, Chicago, IL, 20-24 de septiembre, 2000[2] Peter Borgesen, Donald W. Henderson, “Fragility of Pb-Free Solder Joints”, white paper[3] Jean-Pail Clech, EPSI “Lead Free Solder Joint Reliability An Overview”, SMTA Online 20 de mayo de 2003[4] V. Schroeder, F. Hua, y J. Gleason, “STRENGTH AND FATIGUE BEHAVIOR OF JOINTS MADE WITH Bi-42Sn-1Ag SOLDER PASTE: AN ALTERNATIVE TO Sn-3.5Ag-0.7Cu FOR LOW COST CONSUMER PRODUCTS; SMTAI2001[5] Dr.Weiping Liu y Dr.Ning Cheng Lee “Novel SACX solders with superior drop test performance” – white paper[6] Dr. Ning-Cheng Lee, Dr. Weiping Liu, Ronald C. Lasky, PhD, PE, y Timothy Jensen. “Achieving High Reliability Low-Cost Lead-Free SAC Solder Joints via Mn Doping” [7] Ernesto Ferrer y Helen Holder “57Bi-42Sn-1Ag: A Lead Free, Low Temperature Solder for the Electronic Industry” [8] Brook Sandy y Ronald C. Lasky, PhD, “Choosing a Low-Cost Alternative to SAC Alloys for PCB Assembly” APEX 2012[9] HongWen Zhang y Dr. Ning-Cheng Lee “High Reliability High melting Mixed Lead-Free BiAgX Solder Paste System”, SMTAI octubre de 2012
