ES2286099T3 - Metodo de control del contenido de cobre en un baño de soldadura por inmersion. - Google Patents
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Abstract
Método de control de la concentración de cobre en un baño de soldadura por inmersión que incluye una aleación de soldadura fundida que contiene por lo menos cobre como composición esencial de la misma durante una etapa de soldadura por inmersión de un elemento de entre una placa de circuito impreso que tiene fijada sobre la misma una hoja de cobre y una pieza componente que tiene fijado a la misma un conductor de cobre, comprendiendo el método una etapa en la que se introduce una soldadura de reposición sin cobre en absoluto o con un contenido de cobre que tiene una concentración inferior a la correspondiente a la soldadura fundida contenida en el baño antes del suministro de la soldadura de reposición del baño de modo que la concentración de cobre en el baño se controla en una concentración constante predeterminada o un valor menor.
Description
Método de control del contenido de cobre en un
baño de soldadura por inmersión.
La presente invención se refiere a una
composición de una soldadura exenta de plomo, y más particularmente,
a un método para controlar la composición de una aleación de
soldadura fundida en un baño de soldadura para fabricar uniones de
soldadura adecuadas en una operación de soldadura por
inmersión.
inmersión.
Típicamente, la soldadura adquiere su
humectabilidad en los metales a una temperatura relativamente baja
de 250ºC (grados centígrados) más o menos. Cuando una placa impresa
o hilos conductores se realizan de cobre, en una operación de
soldadura el cobre en la superficie del componente se disuelve en un
baño de soldadura. A este fenómeno se le denomina lixiviación del
cobre. En las soldaduras exentas de plomo, el cobre se disuelve
rápidamente durante la humectación. Los inventores de la presente
invención han observado que la concentración de cobre aumenta
rápidamente en un baño de soldadura. Con el aumento de la
concentración de cobre, aumenta el punto de fusión de la soldadura,
cambian la tensión superficial y la fluidez, lo cual conduce a
puentes entre soldaduras, huecos, conexiones de soldadura
incompletas, protuberancias en las soldaduras, rebabas, etc. De
este modo, la calidad de la unión de soldadura se deteriora
sustancialmente. Además, en asociación con el aumento de la
concentración de cobre, aumenta el punto de fusión. Una vez que ha
comenzado, el aumento de la concentración de cobre se incrementa
junto con el aumento del punto de fusión.
Uno de los inventores de la presente invención
ha desarrollado una aleación de soldadura novedosa que contiene
níquel (Publicación Internacional WO99/48639), y ha mejorado
satisfactoriamente la fluidez con la adición de níquel en la
técnica dada a conocer. En este caso, es deseable un control
adecuado del contenido de cobre.
Una vez que aumenta la concentración de cobre,
la sustitución de la soldadura completa en un baño con una
soldadura nueva constituye unos medios eficaces de resolver este
problema. No obstante, la sustitución de la soldadura requiere ser
realizada con frecuencia, incrementando los costes, y siendo
necesaria una disponibilidad innecesaria de recursos.
La presente invención se ha desarrollado para
solucionar el problema anterior. Uno de los objetivos de la
presente invención es proporcionar un método de control para
controlar la concentración de cobre dentro de un intervalo adecuado
sin necesidad de la sustitución de la soldadura en el baño.
Cuando las placas impresas con recubrimiento de
cobre usadas ampliamente y las piezas componentes que tienen hilos
conductores de cobre se someten a una operación de soldadura por
inmersión, la concentración de cobre en la soldadura fundida en un
baño aumenta como consecuencia de la lixiviación del cobre. Al tener
conocimiento de que es imposible evitar este fenómeno, hemos
concluido que la mejor manera posible de controlar de una forma
definida la concentración de cobre es diluyendo el contenido del
mismo.
Entre las aleaciones de soldadura que contienen
cobre como composición esencial de las mismas, se produce, por
ejemplo, una aleación basada en
Estaño-Cobre-Níquel para mejorar la
soldabilidad añadiendo una pequeña cantidad de níquel a una
aleación eutéctica de Estaño-Cobre, las cuales son
composiciones básicas para una soldadura exenta de plomo. Cuando se
ha disuelto, esta soldadura presenta una excelente fluidez, y tiene
un alto rendimiento de soldadura por inmersión en el ensamblaje de
una gran cantidad de placas electrónicas. Esta soldadura está
prácticamente exenta de puentes, huecos, conexiones de soldadura
incompletas, protuberancias en las soldaduras, rebabas, etc., los
cuales resultan siempre problemáticos en la producción masiva. No
obstante, dependiendo del rendimiento del baño se produce un
incremento sustancial de la concentración de cobre de la soldadura
fundida en el baño. La lixiviación del cobre desarrolla un compuesto
intermetálico de Estaño-Cobre que tiene un elevado
punto de fusión y que es incapaz de disolverse a una temperatura de
trabajo predeterminada. Se ha observado que la aleación se adhiere
a un objeto a soldar, deteriorando de este modo la calidad de la
soldadura. La cantidad de cobre disuelta en estaño varía con la
temperatura. Como el cobre tiene un punto de fusión elevado de
1.083ºC, incluso un ligero aumento de cobre da como resultado un
aumento sustancial del punto de fusión de la soldadura. Se han
estudiado formas de continuar con la operación de soldadura sin
incrementar la concentración de cobre en la soldadura, y se ha
desarrollado el siguiente método.
Cuando se observa un aumento de la concentración
de cobre de la soldadura fundida en un baño que contiene estaño,
níquel y cobre como composiciones principales del mismo, se repone
una aleación que contiene por lo menos estaño y níquel y
adicionalmente sin cobre en absoluto o con un contenido de cobre que
tiene una concentración menor que la correspondiente a una
soldadura fundida inicial contenida en el baño. Cuando en un baño se
introduce una soldadura exenta de plomo de aproximadamente un 0,5%
de cobre, y aproximadamente un 0,05% de níquel con estaño
equilibrado para el resto, para mantener las condiciones de la
soldadura a un nivel satisfactorio con la reposición de cobre se
repone una aleación que contiene por lo menos aproximadamente un
0,05% de níquel con estaño equilibrado o una aleación que contiene
por lo menos aproximadamente un 0,05% de níquel con estaño
equilibrado que incluye una cantidad menor que el 0,5% de cobre.
En otro de los ejemplos, en un baño de soldadura
se introduce una soldadura exenta de plomo de aproximadamente un
0,8% de cobre, aproximadamente un 3,5% de plata, y aproximadamente
un 0,05% de níquel con estaño equilibrado, y para mantener las
condiciones de la soldadura a un nivel satisfactorio se repone una
aleación que contiene por lo menos aproximadamente un 3,5% de
plata, y aproximadamente un 0,05% de níquel con estaño equilibrado,
o una aleación que contiene por lo menos aproximadamente un 3,5% de
plata, y aproximadamente un 0,05% de níquel con estaño equilibrado
que incluye una cantidad menor que el 0,8% de cobre.
Como la aleación que se va a reponer (en lo
sucesivo "aleación de reposición") no tiene ningún contenido de
cobre en absoluto o tiene un contenido de cobre que presenta una
concentración menor que la correspondiente a la aleación de
soldadura fundida antes de la reposición de la aleación, el cobre en
el baño se diluye cuando la aleación de reposición se disuelve en
el baño. Aunque la adición de cobre en la soldadura de reposición
no constituye un requisito, cuando la velocidad de aumento de la
concentración de cobre es menor que la esperada dependiendo de las
condiciones de la temperatura en el baño de soldadura, puede que
resulte más adecuado añadir una cantidad reducida de cobre. La
soldadura se puede consumir en grandes cantidades, por ejemplo, con
placas impresas que presenten agujeros pasantes. En tal caso, se
espera que la reposición de una aleación que no tenga ningún
contenido de cobre en absoluto reduzca excesivamente el contenido de
cobre, y es preferible la reposición de la aleación que contiene una
ligera cantidad de cobre.
La soldadura exenta de plomo en el baño incluye
estaño, cobre, y níquel. La presente invención no se limita a esta
situación. La presente invención se puede aplicar siempre que la
aleación de soldadura en el baño incluya por lo menos cobre. La
presente invención se aplica también cuando la aleación de soldadura
en el baño incluye elementos para mejorar la humectabilidad o para
la antioxidación. Con este fin, en la aleación de soldadura se
pueden incluir plata, bismuto, indio, fósforo, germanio, etc. Estos
medios también quedan incluidos dentro del alcance de la presente
invención.
La cantidad de soldadura de reposición se
determina teniendo en cuenta el consumo de la soldadura fundida en
el baño, la temperatura de líquidus, el consumo de la soldadura por
cada lote de placas impresas, etc. En muchos casos, el aumento de
la concentración de cobre y la producción de las placas impresas
están en una correlación lineal. El nivel de la soldadura fundida
en el baño se monitoriza continuamente. A continuación, la
soldadura se repone cuando la cantidad de la soldadura cae por
debajo de un nivel predeterminado. Las formas de la masa de la
soldadura de reposición incluyen, aunque sin limitaciones, una barra
de soldadura o un hilo de soldadura. Como el aumento de la
concentración de cobre y la producción de las placas impresas se
encuentran en una correlación lineal, tal como ya se ha descrito,
un peso predeterminado de la soldadura se puede reponer en
respuesta a una producción predeterminada de placas impresas.
Alternativamente, la reposición de la soldadura se puede realizar
durante un periodo de tiempo predeterminado. Opcionalmente, estos
métodos se pueden usar combinados.
En un control óptimo para resolver los diversos
problemas implicados en el aumento de la concentración de cobre, la
concentración de cobre de la soldadura fundida que contiene estaño,
cobre y níquel como composiciones principales de la misma se
mantiene preferentemente a un nivel menor que el 0,85% en peso con
la soldadura fundida a un temperatura de aproximadamente 255ºC. El
objetivo de la densidad del 0,85% en peso no es un valor estricto
sino un valor aproximado, y presenta un margen dependiendo de la
deriva de la temperatura de líquidus. No obstante, como las
conexiones por soldadura se deterioran por encima del 0,90% en peso,
en este sentido se puede observar un objetivo de la concentración
de cobre del 0,85% en peso.
Un aparato que incorpore una placa impresa que
se fabrique a través del baño de soldadura de inmersión controlado
según el método anterior evita sustancialmente la introducción de
plomo, el cual se considera como un metal tóxico. El aparato no
contamina los entornos de trabajo durante la fabricación, y no
presenta problemas medioambientales importantes cuando hay que
deshacerse del mismo.
La Fig. 1 es un gráfico que representa el cambio
de la concentración de cobre en la técnica convencional; y
la Fig. 2 es un gráfico que representa el cambio
de la concentración de cobre cuando se repone una soldadura que
contiene Sn-0,05% Ni.
Se llenó un baño de soldadura con una soldadura
que contenía aproximadamente un 0,5% de cobre, y aproximadamente un
0,05% de níquel con el estaño equilibrado. Se procesó una gran
cantidad de placas impresas a una temperatura de soldadura de
255\pm2ºC. Cuando se realizó una reposición continua de una
soldadura con la misma composición que la soldadura inicial, la
concentración de cobre en el baño aumentó hasta un nivel no deseable
tal como se muestra en la Fig. 1 al superar una producción de
20.000 placas impresas. Como consecuencia, el punto de fusión de la
soldadura en el baño aumenta, y cambia la tensión superficial y la
fluidez de la soldadura en el baño. La soldabilidad de la soldadura
se hace extremadamente deficiente con puentes entre soldaduras,
huecos, uniones de soldadura incompletas, protuberancias en las
soldaduras, rebabas, etc. En lo sucesivo en el texto el porcentaje
se expresa en porcentaje en peso.
Ejemplo 1 de la presente
invención
Se llenó un baño de soldadura con una soldadura
exenta de plomo que contenía aproximadamente un 0,5% de cobre, y
aproximadamente un 0,05% de níquel y estaño equilibrado. Se procesó
una gran cantidad de placas impresas a una temperatura de soldadura
de 255\pm2ºC en las mismas condiciones que las correspondientes al
ejemplo comparativo. A continuación se realizó una reposición de la
soldadura que no presentaba en absoluto ningún contenido de cobre.
En este ejemplo, se añadió continuamente la soldadura de reposición
que contenía aproximadamente un 0,05% de níquel siendo el resto
estaño. La concentración de cobre se estabilizó a un nivel de 0,7% o
un valor aproximado tal como se muestra en la Fig. 2. No se produjo
ningún comportamiento deficiente de la soldadura.
Ejemplo 2 de la presente
invención
Se llenó un baño de soldadura con una aleación
de soldadura inicial que contenía aproximadamente un 0,6% de cobre,
aproximadamente un 0,05% de níquel con un metal antioxidante tal
como germanio, fósforo o calcio añadidos en una cantidad adecuada y
siendo el resto estaño. Se realizó una operación de soldadura a una
temperatura de soldadura de 255\pm2ºC en las mismas condiciones
que las correspondientes al ejemplo comparativo. Se realizó una
reposición de una aleación de soldadura idéntica a la aleación de
soldadura inicial en el baño, aunque sin cobre. Como consecuencia,
tal como en el ejemplo 2, la concentración de cobre alcanzó
aproximadamente el 0,7% y se aplanó y se estabilizó en ese
nivel.
Ejemplo 3 de la presente
invención
Se llenó un baño de soldadura con una soldadura
exenta de plomo que contenía aproximadamente un 0,6% de cobre, y
aproximadamente un 0,05% de níquel siendo el resto estaño. Se
realizó una operación de soldadura a una temperatura de soldadura
de 255\pm2ºC en las mismas condiciones que las correspondientes a
los ejemplos anteriores. Se realizó una reposición de una soldadura
de Estaño-Níquel sin cobre aunque con un metal
antioxidante tal como germanio, fósforo o calcio añadidos en una
cantidad adecuada. Como consecuencia, tal como en los ejemplos
anteriores, la densidad del cobre alcanzó aproximadamente 0,7% y se
aplanó y se estabilizó en ese nivel.
Las aleaciones de soldadura usadas fueron una
aleación de Estaño-Cobre-Níquel. El
elemento controlado de forma definida fue únicamente el cobre, y no
existe la necesidad de controlar los otros elementos. Esto se cumple
para las aleaciones que contienen plata, bismuto, indio, fósforo,
germanio, etc., para mejorar la humectabilidad o para la
antioxidación.
La presente invención controla de una manera
definida, en una soldadura fundida en un baño, el cobre el cual es
un metal esencialmente necesario aunque resulta perjudicial para la
soldabilidad cuando la concentración del mismo supera un valor de
umbral. Incluso si se realiza una gran cantidad de operaciones de
soldadura usando el mismo baño de soldadura, la calidad de las
uniones de soldadura se mantiene a un nivel excelente. Un aparato
que incorpore una placa impresa que se fabrique a través del baño de
inmersión en soldadura, controlado según el método anterior reduce
sustancialmente el uso de plomo, y tampoco contamina los entornos de
fabricación, ni los entornos operativos, ni emite una gran cantidad
de plomo en las operaciones de eliminación. De este modo, se
controla sustancialmente la contaminación medioambiental en una
producción masiva.
Claims (11)
1. Método de control de la concentración de
cobre en un baño de soldadura por inmersión que incluye una aleación
de soldadura fundida que contiene por lo menos cobre como
composición esencial de la misma durante una etapa de soldadura por
inmersión de un elemento de entre una placa de circuito impreso que
tiene fijada sobre la misma una hoja de cobre y una pieza componente
que tiene fijado a la misma un conductor de cobre, comprendiendo el
método una etapa en la que se introduce una soldadura de reposición
sin cobre en absoluto o con un contenido de cobre que tiene una
concentración inferior a la correspondiente a la soldadura fundida
contenida en el baño antes del suministro de la soldadura de
reposición del baño de modo que la concentración de cobre en el baño
se controla en una concentración constante predeterminada o un valor
menor.
2. Método de control de la concentración de
cobre en un baño de soldadura por inmersión según la reivindicación
1, en el que la aleación de soldadura fundida en el baño comprende
estaño, cobre y níquel como composiciones principales de la misma, y
en el que la soldadura de reposición comprende estaño y níquel como
composiciones principales de la misma.
3. Método de control de la concentración de
cobre en un baño de soldadura por inmersión según la reivindicación
1, en el que la aleación de soldadura fundida en el baño comprende
estaño, cobre y níquel como composiciones principales de la misma, y
la soldadura de reposición comprende estaño, cobre y níquel como
componentes principales de la misma.
4. Método de control de la concentración de
cobre en un baño de soldadura por inmersión según la reivindicación
1, en el que la aleación de soldadura fundida en el baño comprende
estaño, cobre y plata como componentes principales de la misma, y la
soldadura de reposición comprende estaño y plata como composiciones
principales de la misma.
5. Método de control de la concentración de
cobre en un baño de soldadura por inmersión según la reivindicación
1, en el que la aleación de soldadura fundida en el baño comprende
estaño, cobre y plata como composiciones principales de la misma, y
la soldadura de reposición comprende estaño, cobre y plata como
composiciones principales de la misma.
6. Método de control de la concentración de
cobre en un baño de soldadura por inmersión según una de las
reivindicaciones 1 a 5, alimentándose la soldadura de reposición
cuando el nivel de la soldadura fundida en el baño cae por debajo de
un nivel predeterminado.
7. Método de control de la concentración de
cobre en un baño de soldadura por inmersión según una de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que la soldadura de reposición
alimenta al baño de soldadura fundida cada vez que a través del baño
se procesa un número predeterminado de placas de circuito
impreso.
8. Método de control de la concentración de
cobre en un baño de soldadura por inmersión según una de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que la concentración de cobre en el
baño de soldadura fundida se controla para que sea menor que el
0,85% en peso con la aleación de soldadura fundida a una temperatura
de aproximadamente 255ºC.
9. Uso del método de control de la concentración
de cobre en un baño de soldadura por inmersión según las
reivindicaciones 1 a 8 para producir una unión de soldadura que está
siendo incorporada en un aparato eléctrico o electrónico.
10. Uso del método de control de la
concentración de cobre en un baño de soldadura por inmersión según
las reivindicaciones 1 a 8 para introducir una soldadura de
reposición en un baño de soldadura fundida que incluye una aleación
de soldadura fundida que comprende estaño, cobre y níquel como
composiciones principales de la misma, comprendiendo la soldadura de
reposición estaño y níquel como composiciones principales de la
misma.
11. Uso del método de control de la
concentración de cobre en un baño de soldadura por inmersión según
las reivindicaciones 1 a 8 para introducir una soldadura de
reposición en un baño de soldadura fundida que incluye una aleación
de soldadura fundida que comprende estaño, cobre y plata como
composiciones principales de la misma, comprendiendo la soldadura de
reposición estaño y plata como composiciones principales de la
misma.
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