ES2224609T3 - Aleacion de soldadura exenta de plomo. - Google Patents

Abstract

Un soldador para soldar sin fusión sin plomo que está formado por tres elemento Sn-Cu-Ni. El Cu y el Ni tienen unas concentraciones en peso, respectivamente, entre 0,1-2 % y de 0,002 -1 % en peso. El porcentaje en peso preferido de Cu y de Ni es de 0,3 a 0,7 y de 0,04 a 0,1 respectivamente. Ambos procedimientos de adición de Ni a una aleación base de Sn-Cu y aditivo Cu a una aleación de base de Sn-Ni, son aplicables.

Description

Aleación de soldadura exenta de plomo.

La presente invención se refiere a la composición de una aleación de soldadura novedosa exenta de plomo.

Convencionalmente, en la aleación de soldadura, el plomo ha sido un metal importante para diluir estaño de cara a mejorar el factor de flujo y la humectabilidad. Se prefiere evitar el uso de plomo, un metal pesado, tóxico, considerando los entornos de trabajo en los que se realiza la operación de soldadura, los entornos operativos en los que se usan los productos soldados, y el entorno medioambiental en el que se libera la soldadura. Por lo tanto la evitación del uso de plomo en aleaciones de soldadura es una práctica estimable.

Cuando se forma una aleación de soldadura exenta de plomo, se requiere que la aleación presente humectabilidad con respecto a los metales a soldar. El estaño que presenta dicha humectabilidad es un metal indispensable como material base. En la formación de una aleación de soldadura exenta de plomo, es importante aprovechar totalmente la propiedad del estaño y determinar el contenido de un metal de aporte con el fin de comunicar a la aleación de soldadura exenta de estaño una resistencia y una flexibilidad tan buenas como las de la aleación eutéctica convencional de estaño-plomo.

En el documento JP-A-05 251 452 se da a conocer una aleación de soldadura de Sn exenta de Pb que comprende un 0,7% de Cu.

Es un objetivo de la presente invención proporcionar una aleación de soldadura exenta de plomo que tenga estaño como material base con otros materiales de aporte que sean fácilmente humectables, que resulte tan buena como la aleación eutéctica convencional de estaño-plomo, y que ofrezca una junta de soldadura estable y fiable.

Para conseguir el objetivo de la presente invención, la aleación de soldadura se forma con tres metales con entre el 0,3 y el 0,7% en peso de Cu, entre el 0,04 y el 0,1% en peso de Ni y el % en peso restante de Sn. De entre estos elementos, el estaño tiene un punto de fusión de aproximadamente 232ºC, y es un metal indispensable para comunicar humectabilidad de la aleación con respecto a los metales a soldar. Una aleación basada en estaño, sin plomo de una gran gravedad específica, es ligera en su estado fundido, y no puede ofrecer una fluxibilidad suficiente para resultar adecuada para una operación de soldadura de tipo boquilla. La estructura cristalina de dicha aleación de soldadura es demasiado blanda y no es lo suficientemente resistente en términos mecánicos. La adición de cobre refuerza notablemente la aleación. La adición de aproximadamente el 0,7% de cobre añadido al estaño forma una aleación eutéctica que tiene un punto de fusión de aproximadamente 227ºC, el cual es menor que el del estaño solo en aproximadamente 5ºC. La adición de cobre limita la lixiviación del cobre en la cual el cobre, un material base típico del alambre de plomo, se lixivia hacia fuera de la superficie del alambre de plomo en el transcurso de las operaciones de soldadura. Por ejemplo, a una temperatura de soldadura de 260ºC, la velocidad de lixiviación del cobre de la aleación con cobre añadido es la mitad que la velocidad de lixiviación del cobre en la soldadura eutéctica de estaño-plomo. La limitación de la lixiviación del cobre reduce una diferencia de densidad del cobre presente en un área de soldadura, ralentizando de este modo el crecimiento de una capa de compuesto frágil.

La adición de cobre es eficaz para evitar un cambio rápido en la composición en la propia aleación cuando se usa un periodo largo en un método de inmersión.

La cantidad de cobre añadido está comprendida en un intervalo de entre 0,3 y 0,7% en peso, y si se añade más cobre, la temperatura de fusión de la aleación de soldadura aumenta. Cuanto mayor sea el punto de fusión, mayor debe ser la temperatura de soldadura. No es preferible una temperatura de soldadura elevada para debilitar térmicamente los componentes electrónicos. Se considera que el límite superior típico de la temperatura de soldadura es de 300ºC o un valor similar.

En la presente invención, no solamente se añade una cantidad pequeña de cobre al estaño como material base, sino que también se añade entre un 0,04 y un 0,1% en peso de níquel. El níquel controla compuestos intermetálicos tales como el Cu_{6}Sn_{5} y el Cu_{3}Sn, los cuales se desarrollan como resultado de la reacción del estaño y el cobre, y disuelve los compuestos desarrollados. Como dichos compuestos intermetálicos tienen un punto de fusión de una temperatura elevada, dificultan la posibilidad de la soldadura y hacen que la función de la soldadura se deteriore. Por esta razón, si estos compuestos intermetálicos permanecen sobre patrones en una operación de soldadura, los mismos llegan a convertirse en los denominados puentes que cortocircuitan los conductores. A saber, cuando la soldadura deja de estar en estado de fusión quedan proyecciones de tipo aguja. Para evitar dichos problemas, se añade níquel. Aunque el níquel produce por sí mismo un compuesto intermetálico con el estaño, el cobre y el níquel son siempre solubles en sólido en cualquier proporción. Por esta razón, el níquel colabora con el desarrollo de los compuestos intermetálicos de Sn-Cu. Como la adición de cobre al estaño ayuda a que la aleación mejore su propiedad como compuesto de soldadura en la presente invención, es preferible no disponer de una gran cantidad de compuestos intermetálicos de Sn-Cu. Por esta razón, se utiliza el níquel, en una relación soluble en sólido a cualquier proporción con cobre, para controlar la reacción del cobre con el estaño.

La temperatura de líquidus aumenta si se añade níquel ya que el punto de fusión del níquel es elevado. Un inventor observó que una cantidad de níquel añadido de entre 0,04 y 0,1% en peso mantenía una buena fluxibilidad y la soldadura mostraba una resistencia suficiente en una junta soldada.

En el proceso anterior, a la aleación de Sn-Cu se le añade Ni. Como alternativa, a una aleación de Sn-Ni se le puede añadir Cu. Cuando al estaño se le añade lentamente níquel solo, según el aumento de un punto de fusión, el factor del flujo cae en su estado de fusión debido a la producción de compuestos intermetálicos. Mediante la adición de cobre, la aleación presenta una propiedad uniforme con un factor de flujo mejorado aunque cierto grado de viscosidad. En cualquiera de los procesos, la interacción del cobre y el níquel ayuda a crear un estado preferible en la aleación. Por esta razón la misma aleación de soldadura se crea no solamente añadiendo Ni a la aleación base de Sn-Cu sino también añadiendo Cu a la aleación base de Sn-Ni.

Estos intervalos de aleación según la invención permanecen invariables incluso si en la aleación se mezcla una impureza inevitable, que obstruya la función del níquel.

El germanio tiene un punto de fusión de 936ºC, y se disuelve únicamente en una cantidad de trazas en la aleación de Sn-Cu. El germanio hace que el cristal resulte más fino cuando la aleación se solidifica. El germanio aparece en un límite de grano, evitando que el cristal se haga grueso. La adición de germanio evita el desarrollo de compuestos de óxido durante el proceso de disolución de la aleación. No obstante, la adición de germanio en exceso de un 1% en peso no solamente cuesta mucho, sino que también crea un estado de sobresaturación, obstaculizando la dispersión uniforme de la aleación fundida. Un exceso de germanio por encima del límite es más perjudicial que beneficioso. Por esta razón, se determina el límite superior del contenido de germanio.

Las propiedades físicas de aleaciones de soldadura que presenta la composición de la presente invención se ofrecen en una lista en la tabla. Se preparó la aleación del 0,6% en peso de Cu, el 0,1% en peso de Ni, y el porcentaje restante de Sn, la cual es considerada por los inventores una de las composiciones adecuadas de aleación de soldadura.

Punto de fusión

Su temperatura de líquidus fue aproximadamente 227ºC y su temperatura de sólidus fue aproximadamente 227ºC. Se llevaron a cabo ensayos usando un analizador término diferencial con una velocidad de aumento de la temperatura de 20ºC/minuto.

Gravedad específica

La gravedad específica de la aleación, medida usando un medidor de gravedad específica, fue aproximadamente 7,4.

Ensayo de tracción en una atmósfera de temperatura ambiente de 25ºC

La resistencia a la tracción de la aleación fue 3,3 kgf/mm^{2} con un estiramiento de aproximadamente el 48%. La aleación de soldadura eutéctica convencional de Sn-Pb, probada casi en las mismas condiciones, presentó una resistencia de entre 4 y 5 kgf/mm^{2}. La aleación de la presente invención tiene una resistencia a la tracción menor que la correspondiente a la aleación de soldadura convencional. No obstante, considerando que la aleación de soldadura de la presente invención está destinada principalmente a soldar componentes electrónicos relativamente ligeros sobre una placa de circuito impreso, la aleación de soldadura de la presente invención cumple el requisito de resistencia siempre que la aplicación se limite a este campo.

Ensayo de dispersión

La aleación, medida con el Ensayo Normalizado Z3197 de las JIS (Normas Industriales Japonesas), presentó un 77,6% a 240ºC, un 81,6% a 260ºC, y un 83,0% a 280ºC. En comparación con la soldadura eutéctica convencional de estaño-plomo, la aleación de soldadura de la presente invención ofrece un factor de dispersión pequeño, aunque todavía es suficientemente aceptable.

Ensayo de humectabilidad

Una tira de cobre de 7 x 20 x 0,3 mm se sometió a limpieza en ácido usando ácido clorhídrico diluido al 2% y se sometió a ensayo en relación con la humectabilidad en las condiciones de una velocidad de inmersión de 15 mm/segundo, una profundidad de inmersión de 4 mm, y un tiempo de inmersión de 5 segundos, usando un aparato de ensayo de humectabilidad. El tiempo del paso por cero y la fuerza de humectación máxima de la aleación fueron 1,51 segundos y 0,27 N/m a 240ºC, 0,93 segundos y 0,3 N/m a 250ºC, 0,58 segundos y 0,33 N/m a 260ºC, y 0,43 segundos y 0,33 N/m a 270ºC. A partir de estos resultados, el inicio de la humectación se produce tarde en puntos de fusión más altos, en comparación con la soldadura eutéctica, aunque la velocidad de humectación aumenta a medida que aumenta la temperatura. Como los metales a soldar tienen típicamente en la práctica una capacidad térmica baja, el retardo del inicio de la humectación no presenta ningún problema.

Ensayo de adherencia por desprendimiento

Los ensayos de adherencia por desprendimiento de conductores QFP mostraron una fuerza de adherencia por desprendimiento de aproximadamente 0,9 kgf/pin. Una comprobación visual sobre la parte desprendida reveló que todos los desprendimientos tuvieron lugar entre una placa y un montículo de cobre. Esto demostró que la junta de soldadura tenía una resistencia suficiente.

Ensayo de resistencia eléctrica

Se midió una soldadura de hilo metálico de 0,8 mm de diámetro y 1 metro de largo usando el método de medición de cuatro terminales. Su resistencia fue 0,13 \mu \Omega. La resistencia de la soldadura de hilo metálico era cercana a la correspondiente al estaño. Una resistencia baja aumenta la velocidad de propagación de electrones, mejorando las características de alta frecuencia, y cambiando las características acústicas. Medida en las mismas condiciones, una aleación de soldadura eutéctica de estaño-plomo tenía una resistencia eléctrica de 0,17 \mu \Omega y una soldadura de estaño-plata-cobre tenia una resistencia eléctrica de 0,15 \mu \Omega.

Ensayo de resistencia a la fluencia

Una patilla de latón recubierta con estaño que tenía una sección transversal cuadrada de 0,8 x 0,8 mm se fijó mediante soldadura por ola en un montículo de 3 mm de diámetro con un agujero de un diámetro de 1 mm formado en una placa fenólica de papel. Se colgó un peso de 1 kg en la patilla usando un alambre de acero inoxidable en un baño controlado por temperatura hasta que la patilla cayó separándose de la junta de soldadura. Con la temperatura del baño a 145ºC, la patilla siguió conectada más de 300 horas. A 180ºC, la patilla no cayó incluso después de que hubieran pasado 300 horas. La patilla conectada mediante la junta de soldadura eutéctica de estaño-plomo cayó después de pasados entre varios minutos y varias horas en las mismas condiciones. A diferencia de la soldadura que incluye Pb, la aleación de soldadura de la presente invención presenta una resistencia a la fluencia incluso si su resistencia a la tracción es baja, y la fiabilidad de la aleación de soldadura de la presente invención es particularmente excelente en una atmósfera de alta temperatura.

Ensayo de choque térmico

La aleación de soldadura se sometió a una hora de choque térmico a -40ºC y +80ºC. La aleación de soldadura resistió 1000 ciclos de choques. La aleación de soldadura eutéctica convencional de estaño-plomo resistió entre 500 y 600 ciclos de choques.

Ensayo de migración

Una muestra de ensayo a modo de peine de tipo II especificada según la Norma JIS se soldó por inmersión usando flujo RMA. Los residuos del flujo se limpian, y la resistencia se midió con un terminal fijado a un alambre de plomo. El resultado de esta medición se trató como un valor inicial. La muestra de ensayo se introdujo en un termohigrostato, y se aplicaron corrientes continuas nominales durante 1000 horas para medir la resistencia a intervalos de tiempo predeterminados mientras la muestra de ensayo se observaba usando una lupa de 20 aumentos. No se observó ningún cambio anómalo ni cuando se aplicó una corriente de 100 VDC a 40ºC y una humedad del 95% ni cuando se aplicó una corriente de 50 VDC a 85ºC y una humedad del 85%. Esto significa que la aleación de la presente invención tenía un rendimiento tan bueno como el de la soldadura eutéctica convencional de estaño-plomo.

Ensayo de lixiviación

Un alambre de cobre de 0,18 mm de diámetro con flujo de tipo RA fijado al mismo se sumergió en un baño de soldadura llenado con soldadura fundida a 260 \pm2ºC. El alambre de cobre se agitó hasta que desapareció por lixiviación, y el tiempo hasta que se produjo la lixiviación completa se contó usando un cronómetro. La lixiviación completa del alambre de cobre en la soldadura de la presente invención tardó aproximadamente 2 minutos mientras que el alambre de cobre idéntico lixiviado en la soldadura eutéctica de estaño-plomo duró aproximadamente 1 minuto. Evidentemente la resistencia más prolongada a la lixiviación se atribuyó a la adición de una cantidad adecuada de cobre. Específicamente, el cobre añadido originalmente que se había lixiviado dio como resultado una velocidad de lixiviación del cobre relativamente lenta con independencia de si hubiera un gran contenido de estaño. Otra razón probable para la velocidad lenta de lixiviación fue que el punto de fusión de la soldadura era mayor que la soldadura eutéctica en aproximadamente 40ºC.

En la tabla se ofrece una lista del punto de fusión y la resistencia de la aleación con otra composición.

Estudiando los resultados de los ensayos anteriores, en comparación con un ejemplo comparativo, todos los ejemplos de la presente invención presentan resultados satisfactorios. La aleación de soldadura eutéctica convencional de estaño-plomo, medida en las mismas condiciones, presentó una resistencia de entre 4 y 5 kgf/mm^{2}. Todos los ejemplos presentaron unos valores de resistencia menores que los correspondientes a la aleación de soldadura eutéctica convencional de estaño-plomo. Tal como ya se ha descrito, la aleación de soldadura de la presente invención está destinada principalmente a soldar componentes electrónicos relativamente ligeros en una placa de circuito impreso, y la aleación de soldadura de la presente invención cumple el requisito de resistencia siempre que la aplicación se limite a este campo.

No se tomaron datos específicos sobre la dispersión de las muestras. La adición de níquel comunicó una estructura superficial uniforme a la propia aleación. Como la superficie uniforme se mantuvo después de la solidificación, se consideró que la dispersión era buena.

El punto de fusión se representa mediante dos temperaturas, en las cuales la inferior es la temperatura de sólidus y la mayor es la temperatura de líquidus. Cuanto menor sea la diferencia de temperatura entre las dos, menos se moverá un componente a soldar durante la solidificación de la soldadura antes de la operación de soldadura, y más estable será la junta de soldadura. Esto también se cumple para la soldadura convencional de estaño-plomo. No obstante, en general no se determina qué soldadura tiene un mejor rendimiento. Dependiendo de la aplicación de la soldadura, se puede utilizar una aleación de soldadura que tenga una diferencia de temperatura adecuada.

La humectabilidad con respecto al cobre, una de las características importantes de la soldadura, es buena con el flujo de tipo RMA. De este modo se garantiza una buena humectabilidad usando el flujo de tipo RMA.

La soldadura de tres elementos de Sn-Cu-Ni de la presente invención se puede formar progresivamente preparando la aleación base de Sn-Ni y mezclando una soldadura de Sn-Cu fundida con la aleación base para obtener una difusión uniforme. Tal como ya se ha descrito, el punto de fusión de níquel es alto. Cuando en la aleación de Sn-Cu se introduce níquel puro, la disolución y la difusión uniforme del níquel resulta difícil. Para preparar la aleación de la presente invención, la aleación base se funde de antemano a una temperatura relativamente alta de manera que el níquel se mezcle suficientemente con el estaño, y a continuación la aleación base se introduce en el baño fundido de Sn-Cu. De esta manera, se obtiene la aleación de soldadura exenta de plomo en la que el níquel se difunde en estaño a una temperatura relativamente baja.

La formación de antemano de la aleación base de Sn-Ni ayuda a evitar la inclusión en la misma de otros metales no deseados. La presente invención se aprovecha del hecho de que el níquel está en una relación soluble en sólido a cualquier proporción con cobre y de que la aleación de cobre y níquel controla el desarrollo de puentes. No se prevé la presencia de ningún metal en la aleación que obstaculice la función del níquel. En otras palabras, en la presente invención no se prevé la adición de ningún metal diferente al cobre, el cual pueda colaborar fácilmente con el níquel.

Aunque la soldadura exenta de plomo de la presente invención experimenta un inicio lento de la humectación debido a un punto de fusión mayor que el correspondiente a la soldadura eutéctica convencional de estaño-plomo, la soldadura exenta de plomo de la presente invención forma una capa de aleación interfacial de forma rápida y fiable según una variedad de procesos de superficie una vez que se inicia la humectación. La aleación de soldadura exenta de plomo de la presente invención tiene una resistencia a la fluencia suficientemente alta como para soportar componentes voluminosos y pesados y componentes generadores de calor. Puesto que se atenúa la lixiviación del cobre, la cual se considera un problema importante en la aleación de soldadura convencional, la durabilidad de los alambres de plomo aumenta sustancialmente.

Gracias a sus conductividades eléctrica y térmica elevadas, la soldadura exenta de plomo de la presente invención comunica una propiedad de alta velocidad y una propiedad de alta disipación térmica a los componentes eléctricos, y mejora las características acústicas de los componentes eléctricos.

Puesto que la soldadura exenta de plomo de la presente invención no incluye, en su composición, bismuto, zinc, ni indio, queda libre de reaccionar anómalamente con un recubrimiento que contenga plomo que sea soluble a partir de los materiales de un terminal, otro recubrimiento de soldadura exenta de plomo tal como soldadura de Sn-Ag, soldadura de Sn-Bi, y soldadura de Sn-Cu. Esto significa que se garantiza el uso continuo de un baño de soldadura y que se usan alambres ricos en plomo compatibles con el plomo sin ningún problema cuando la soldadura convencional de estaño-plomo se cambia por la aleación de soldadura exenta de plomo de la presente invención.

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Claims (3)

1. Aleación de soldadura exenta de plomo que comprende entre un 0,3 y un 0,7% en peso de Cu, entre un 0,04 y un 0,1% en peso de Ni, opcionalmente entre un 0,001 y un 1,0% en peso de Ge y el porcentaje restante de Sn.

2. Aleación de soldadura exenta de plomo según la reivindicación 1, en la que el Ni se añade a una aleación base disuelta de Sn-Cu.

3. Aleación de soldadura exenta de plomo según la reivindicación 1, en la que el Cu se añade a una aleación base disuelta de Sn-Ni.