ES2612560T3 - Circuito electrónico montado en vehículo - Google Patents

Abstract

Un circuito electrónico montado en un vehículo que tiene una unión soldada con una suelda libre de plomo, caracterizado porque la suelda libre de plomo consiste en Ag: 3 - 4 % en masa, Bi: 2,5 - 5 % en masa, Cu: 0,8 - 1,2 % en masa, al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en Ni, Fe y Co en una cantidad total de 0,005 - 0,05 % en masa, opcionalmente al menos un elemento seleccionado de los siguientes grupos (i) - (iii) y un resto de Sn: (i) al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en P, Ge y Ga en una cantidad total de 0,0002 - 0,02 % en masa; y (ii) como máximo 1 % en masa de ln; y (iii) como máximo 1 % en masa de Zn, y en el que la aleación de suelda tiene una estructura de aleación que a temperatura ambiente comprende una solución sólida supersaturada de Bi o una solución sólida con Bi precipitado desde la misma como precipitados finos formados a partir de una solución sólida supersaturada, y que a una temperatura de 100 ºC o superior en un entorno de ciclo de calor comprende una solución sólida en la que Bi se disuelve de nuevo en una matriz Sn.

Description

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DESCRIPCION

Circuito electronico montado en vetnculo Campo tecnico

La presente invencion se refiere a un circuito electronico montado en vetnculo que tiene una union soldada con una suelda libre de plomo para el uso en condiciones severas que tienen variaciones grandes de temperatura, tal como una suelda libre de plomo para el uso en un entorno tal como las proximidades de un motor de automovil donde existe una gran diferencia de temperatura entre periodos cuando el motor esta funcionando y periodos donde el motor esta apagado. La presente invencion se refiere a un circuito electronico montado en vetnculo que usa la suelda libre de plomo.

Antecedentes de la tecnica

Debido a los efectos daninos del plomo en el cuerpo humano, el uso de sueldas que contienen plomo esta ahora regulado. Por este motivo, las sueldas libres de plomo basadas en Sn se estan usando ampliamente. En la actualidad, la suelda Sn-3Ag-0,5 Cu se usa mucho como suelda libre de plomo en el llamado equipo electronico domestico tales como televisiones, videocamaras y cubiertas, telefonos moviles y ordenadores personales. Esta suelda libre de plomo es algo inferior a las sueldas convencionales de Pb-Sn con respecto a la capacidad de suelda. Sin embargo, como resultado de las mejoras en el flujo y los aparatos de soldado, ahora puede usarse sin problemas y no experimenta problemas de separacion o similares en el uso ordinario sobre la vida util del equipo electronico domestico.

Un ensayo de ciclo de calor se usa para ensayar la durabilidad de las uniones soldadas en el equipo electronico domestico. En un ensayo de ciclo de calor que se usa ampliamente para el equipo electronico domestico, unos componentes de resistor de chip que miden 3,2 x 1,6 x 0,6 mm se sueldan a una tarjeta de circuito impreso, y un ciclo de calentamiento y enfriamiento en el que las uniones soldadas se mantienen a una temperatura alta de +85 °C y despues a una temperatura baja de -40 °C durante 30 minutos en cada temperatura se repiten durante 500 ciclos. Posteriormente, el estado de la conduccion electrica entre los conductores se mide. El resultado es aceptable si la conduccion tiene lugar.

Los circuitos electronicos que tienen partes electronicas soldadas a (o montadas) sobre una tarjeta de circuito impreso tambien se usan en automoviles (tales circuitos se denominan a continuacion circuitos electronicos montados en vetnculo). Los ensayos de ciclo de calor tambien se llevan a cabo en circuitos electronicos montados en vetnculos. Un ensayo de ciclo de calor usado para circuitos electronicos montados en vetnculos se lleva a cabo en condiciones extremadamente severas que, tal como se describe a continuacion, son mas severas que las del ensayo de ciclo de calor antes descrito para el equipo electronico domestico.

Han existido muchas propuestas en el pasado para sueldas libres de plomo que tengan una excelente resistencia a los ciclos de calor. Veanse los Documentos de patente 1-3.

Sin embargo, ninguno de ellos exhibfa la suficiente resistencia a ciclos de calor cuando se ensayaban mediante un ensayo de ciclo de calor del tipo que se necesita actualmente para uniones soldadas de circuitos electronicos montados en vetnculos.

Documento 1 de la patente: JP 05-228685 A1

Documento 2 de la patente: JP 09-326554 A1 o EP 858 859 A

Documento 3 de la patente: JP 2000-349433 A1 o EP 787 559 A

C. Suhling et al. describe una suelda en “ Thermal cycling reliability of lead free solders for automotive applications”, THE NINTH INTERSOCIETY CONFERENCE ON THERMAL AND THERMOMECHANICAL PHENOMENA IN ELECTRONIC SYSTEMS, 2004, vol. 2, 1 de junio de 2004 (), paginas 350-357.

L. Whiteman tambien describe sueldas en “SALTATMOSPHERE, TEMPERATURE HUMIDITY, AND MECHANICAL SHOCK ENVIRONMENTAL STRESS TESTING RESULTS OF THE JG-PP / JCAA LEAD FREE S OLDERING PROGRAM’, Conference Proceedings ACInst, 25 de septiembre de 2005 (), paginas 841-845.

El documento JP 2000-015476 describe una aleacion de Sn-Ag-Cu-Bi.

Divulgacion de la invencion

Problema a solucionar por la invencion

Ninguna de las composiciones actuales desveladas en los ejemplos de los Documentos 1-3 de patente proporcionaba resultados satisfactorios cuando se llevaba a cabo un ensayo de ciclo de calor durante 500 ciclos de calor entre -40 °C y +85 °C de acuerdo con estandares actuales o cuando un ensayo de ciclo de calor se llevaba a cabo durante 1500 ciclos de calor entre -55 °C y +125 °C.

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La resistencia de la suelda a los ciclos de calor no puede evaluarse mediante ensayos de propiedades de volumen tal como un ensayo de resistencia a la traccion, un ensayo de deformacion plastica y un ensayo de fatiga que se llevan a cabo actualmente. Para evaluar la resistencia de una union soldada a ciclos de calor, se piensa que es mejor llevar a cabo un ensayo de ciclo de calor en una tarjeta de circuito impreso que tiene partes electronicas montadas en la misma. Un ensayo de ciclo de calor para circuitos electronicos montados en vetnculo es mas severo que un ensayo de ciclo de calor para equipo electronico domestico (que mide si la conduccion ocurre despues de 500 ciclos de calentamiento y enfriamiento desde +85 °C a -40 °C). Los circuitos electronicos montados en vetnculo requieren una resistencia de union prescrita para uniones soldadas en un ensayo de ciclo de calor extremadamente severo que realiza al menos 1500 ciclos y preferentemente 3000 ciclos de calentamiento y enfriamiento desde -55 °C a +125 °C. No existen sueldas convencionales libres de plomo que pueden satisfacer este requisito.

Los circuitos electronicos montados en vetnculos se usan en equipo para controlar electricamente motores, direccion de potencia, frenos y similares. Estos se han vuelto componentes extremadamente importantes para mantener un funcionamiento seguro de automoviles, y por tanto pueden operar establemente durante largos periodos de tiempo sin fallos de funcionamiento. Un circuito electronico montado en vetnculos para un control de motor se monta en las proximidades de un motor y por consiguiente tiene un entorno de uso muy severo. Las proximidades de un motor donde cada circuito electronico montado en vetnculos se instala estan a una alta temperatura de 100 °C o superior cuando el motor esta operando, y cuando el motor se detiene, la temperatura se convierte en la temperatura del aire exterior, que en regiones fngidas de Norteamerica o Siberia, por ejemplo, es una temperatura baja de -30 °C o por debajo en invierno. Por consiguiente, los circuitos electronicos montados en vetnculos pueden estar expuestos a ciclos de calor desde -30 °C o por debajo hasta +100 °C o por encima debido a una operacion y detencion repetida de motores.

Cuando un circuito electronico montado en vetnculo se coloca durante un largo periodo en un entorno que tiene grandes variaciones de temperatura (denominadas a continuacion entorno de ciclo de calor), la suelda y la tarjeta de circuito impreso del circuito sufren una expansion y contraccion termica. Ya que la suelda, que se fabrica de metal, y la tarjeta de circuito impreso, que se fabrica de resina, tienen diferentes coeficientes de expansion termica entre sf, la tension se aplica a ambos miembros. La tarjeta de circuito impreso que se fabrica de resina no experimenta ningun problema debido a su capacidad de expandirse y contraerse, pero la expansion y contraccion de la suelda metalica durante largos periodos provoca fatiga del metal, y despues del paso de largos periodos, pueden desarrollarse grietas y pueden ocurrir fracturas de la suelda.

La fatiga del metal ocurre debido a tensiones aplicadas durante largos periodos. Por tanto, incluso si un circuito electronico montado en vetnculo no experimenta problemas durante un tiempo inmediatamente despues del inicio del uso de un nuevo automovil, cuando el automovil tia operado durante largos periodos, la suelda en uniones soldadas puede separarse. La causa de esta separacion es que cuando una union soldada esta expuesta a un entorno de ciclo de calor, su resistencia de union disminuye aunque no tiasta el punto en el que se provoque una fractura pero sf lo suficiente para provocar la separacion de la suelda debido a grandes impactos aplicados mediante la superficie de la carretera o continuas vibraciones pequenas aplicadas mediante el motor cuando el vetnculo se esta conduciendo.

Por consiguiente, la suelda para el uso en un circuito electronico montado en un vetnculo debe tener una excelente resistencia a los ciclos de calor en un entorno de ciclo de calor. Cuando se llevan a cabo sueldas de circuitos electronicos montados en vetnculo, es aconsejable usar una suelda libre de plomo Sn-3Ag-0,5Cu que ya se tia usado en equipo electronico domestico. Sin embargo, esta suelda libre de plomo no tiene suficiente resistencia a ciclos de calor en un entorno de ciclo de calor severo, por lo que no puede usarse en un entorno de ciclo de calor severo que tenga una diferencia extremadamente grande entre las altas temperaturas y bajas temperaturas tal como se experimenta en un automovil.

Un objeto de la presente invencion es desarrollar una aleacion de suelda que pueda soportar 1500 ciclos de calor a temperaturas desde -55 °C a +125 °C que se consideran actualmente suficientemente severas como un ensayo para circuitos electronicos montados en vetnculo.

La suelda para el uso en un circuito electronico montado en vetnculo debe por supuesto no tener solo una excelente capacidad de suelda sino tambien ser capaz de soldarse a una temperatura que no tenga efectos termicos en partes electronicas o tarjetas de circuito electrico impreso durante la suelda. En general, se cree que la suelda debena llevarse a cabo a una temperatura que este entre 10-30 °C por encima de la temperatura de liquidus de la suelda. A medida que la temperatura de liquidus de la suelda se incrementa, la temperatura de la suelda tambien debe incrementarse. Sin embargo, si la temperatura de la suelda se vuelve alta, las partes electronicas y la tarjeta de circuito impreso sufren dano termico o sufren un deterioro en el rendimiento. En el caso de suelda de reflujo de partes electronicas o tarjetas de circuito impreso, si la temperatura de la suelda es 250 °C o menor, las partes electronicas y las tarjetas de circuito impreso no sufren dano termico. Por consiguiente, asumiendo que es necesario que la temperatura de la suelda sea 250 °C o menor, la temperatura de liquidus de la suelda debena ser 240 °C o menos y preferiblemente 235 °C o menos.

Una suelda para el uso en un circuito electronico montado en vetnculos debena preferentemente tener una temperatura de solidus de al menos 170 °C. Esto se debe a que cuando un entorno en el que esta dispuesta una

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union soldada alcanza una gran temperature, cuanto mas cerca este la alta temperatura de la temperatura de solidus de la suelda, mas debil se vuelve la resistencia de union de la suelda. Si un circuito electronico montado en vehnculo esta dispuesto en un compartimento de motor, el compartimento de motor puede alcanzar una alta temperatura cerca de 100 °C. Por lo tanto, la temperatura de solidus de la suelda es preferentemente al menos 170 °C, que es al menos 70 °C superior que la alta temperatura del compartimento de motor.

Otro objeto de la presente invencion es proporcionar una suelda libre de plomo que pueda usarse para soldar circuitos electronicos montados en vehnculos y que exhiba una gran fiabilidad, asf como un circuito electronico montado en vehnculo que use la suelda.

Mas espedficamente, la presente invencion proporciona un circuito electronico montado en vehnculo que tiene una union soldada con una aleacion de suelda libre de plomo que exhibe una excelente resistencia a ciclos de calor tal como se evalua por el hecho de que no existen grietas que pasen a traves de una union soldada cuando se ensayan mediante un ensayo de ciclo de calor en el que las temperaturas de -55 °C y +125 °C se aplican durante 1500 ciclos durante un tiempo de mantenimiento de 30 minutos a cada temperatura. La presente invencion proporciona un circuito electronico montado en vehnculo que usa la aleacion.

La funcion primaria de un modulo de potencia o un circuito de semiconductor hnbrido que tiene un sustrato de ceramica o un sustrato de metal es convertir la tension, la corriente o la frecuencia de un suministro de potencia de entrada. El suministro de potencia de entrada es una batena de ion de litio de alta potencia, una batena de plomo- acido que se usa en automoviles o motocicletas, generacion de potencia mediante un motor en un automovil o un tren electrico, una lmea de potencia, o un suministro de potencia domestico desde 100 a 220 voltios. La potencia desde estos suministros de potencia de entrada puede convertirse para accionar el motor de una porcion de accionamiento o para iluminar faros, tales como los faros de un automovil, que necesitan una gran cantidad de potencia electrica. Como alternativa, la electricidad que se genera mediante serpentines electromagneticos en el momento del frenado del motor se convierte y se usa para cargar una batena de litio o una batena de plomo-acido. Por tanto, se genera una gran cantidad de calor dentro de tal circuito. Las partes de chips tales como resistores y condensadores que son esenciales al formar circuitos electronicos son de gran tamano, tal como 3216 partes. Por tanto, con estos circuitos electronicos, las uniones de los circuitos con una tarjeta de circuito impreso se destruyen facilmente mediante ciclos de calor.

Un modulo de potencia, que se usa en circuitos de suministro de potencia y similares, es un circuito electronico que emplea uno o mas transistores de potencia. Unas aletas de enfriamiento estan a menudo dispuestas en un modulo de potencia. Ya que los modulos de potencia llevan grandes corrientes, estos tienen un cableado grueso y una gran area de union.

Unos circuitos semiconductores tnbridos, que tambien se denominan circuitos integrados tnbridos, tienen chips semiconductores montados en un sustrato de ceramica que tiene cableado, resistores, condensadores y similares formados en el mismo. Tal circuito electronico pertenece a la generacion precedente de circuitos integrados, pero ya que un circuito integrado que usa una oblea de silicio tiene el inconveniente de una mala resistencia al calor, los circuitos semiconductores hfbridos que pueden llevar grandes corrientes y tienen buena resistencia al calor todavfa se usan para montaje en vetnculos. Tales circuitos semiconductores tnbridos usan partes de chip de gran tamano.

La presente invencion proporciona un circuito electronico montado en vehnculo que tiene una union soldada con una aleacion de suelda libre de plomo que es ideal para modulos de potencia de circuitos semiconductores hnbridos, y un modulo de potencia o un circuito semiconductor hnbrido para montaje en un vehnculo que usa la aleacion.

Medio para solucionar el programa

La presente invencion conoda que las sueldas libres de plomo convencionales que se dice que tienen una excelente resistencia a los ciclos de calor no pueden satisfacer la mayor fiabilidad requerida para circuitos electronicos montados en vehnculo, y que unas mejoras adicionales en estas sueldas libres de plomo son necesarias. Por consiguiente, los presentes inventores ensayaron aleaciones de suelda que ternan diferentes composiciones y estructuras usando tarjetas de circuito impreso actuales que tienen partes electronicas montadas en la misma para medir la resistencia de union de suelda entre las partes electronicas y el sustrato despues de un ensayo de ciclo de calor. Se demostro que una aleacion de suelda que tiene una cierta composicion y en particular una estructura de solucion solida del tipo de precipitado-reversion tienen el efecto de suprimir un deterioro en la resistencia de union durante un ensayo de ciclo de calor. Como resultado de este descubrimiento, se completo la presente invencion.

Concretamente, la presente invencion es un circuito electronico montado en vehnculo que tiene una union soldada con una suelda libre de plomo formada como una aleacion de suelda basada en Sn-Ag-Cu que contiene un elemento disuelto y que tiene una estructura de aleacion que a temperatura ambiente comprende una solucion solida supersaturada o una solucion solida con un elemento disuelto precipitado desde la misma, y que a una temperatura alta en un entorno de ciclo de calor comprende una solucion solida en la que el elemento disuelto que se ha precipitado a bajas temperaturas se disuelve de nuevo en una matriz Sn.

De acuerdo con la presente invencion, la resistencia de la suelda durante el uso en un entorno de ciclo de calor puede mejorarse de manera notable.

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En esta descripcion, la estructura de aleacion antes descrita de una aleacion de un circuito electronico montado en vetuculos de acuerdo con la presente invencion incluye una estructura de aleacion a altas temperatures o a temperature ambiente y una estructura de aleacion que esta compuesta de una solucion solida o una solucion solida supersaturada que colectivamente se denominaran “estructura de solucion solida del tipo de precipitado-reversion”.

La Figura 1 es una vista explicativa del cambio en la estructura de una aleacion de acuerdo con la presente invencion provocada por un cambio de temperature entre un entorno de alta temperature y un entorno de baja temperature. En un estado de alta temperatura en el que puede mantenerse un lfmite de solubilidad solido suficientemente alto, Bi se disuelve en una matriz Sn y forma una solucion solida. Sin embargo, en un diagrama de fase, la precipitacion de Bi ocurre cuando comienza el enfriamiento desde este estado. Se espera que los precipitados de los elementos como Bi que pueden disolverse en Sn en grandes cantidades para formar una solucion solida se ajusten facilmente por lo que el propio Bi no contribuye a las propiedades mecanicas de Sn en gran medida. Sin embargo, en la presente invencion, en un ensayo de ciclos de calor en el que la exposicion a un entorno de alta temperatura y a un entorno de baja temperatura se repite durante un penodo de tiempo limitado en cada temperatura, se demostro que Bi que se disolvio en Sn a una temperatura alta no se precipita bruscamente en el momento de enfriamiento, y que Bi esta presente en Sn como una solucion solida supersaturada o como precipitados finos formados a partir de una solucion solida supersaturada. Los precipitados finos son tan finos que no pueden observarse con un microscopio de electrones de escaneo. Si el contenido de Bi es pequeno, Bi no puede estar presente a temperatura ambiente como una solucion solida supersaturada o como precipitados finos desde una solucion solida supersaturada, por lo que la propagacion de grietas en un ensayo de ciclo de calor no puede suprimirse. Por otro lado, si la cantidad de Bi es muy grande, la propagacion de grietas puede ser notablemente mayor debido a la segregacion de Bi en el inicio de la solidificacion. En la presente invencion, al ajustar la composicion de aleacion, Bi esta presente en una proporcion que siempre forma una solucion solida supersaturada en Sn a temperatura ambiente. Por tanto, tras el inicio de una fase de enfriamiento en un entorno de ciclo de calor, Bi forma inmediatamente una solucion solida supersaturada.

Es inesperado que la “estructura de solucion solida del tipo de precipitado-reversion” antes descrita pueda exhibirse en un ciclo de calor en que la temperatura se mantiene a -55 °C y +125 °C durante 30 minutos a cada temperatura. Desde un diagrama de fase que siempre asume un estado de equilibrio, puede esperarse que el curtido de Bi continue durante el enfriamiento a temperatura ambiente o en un entorno de temperatura menor para una aleacion que tiene una composicion de acuerdo con la presente invencion. Sin embargo, es totalmente inesperado que el curtido de Bi pueda suprimirse incluso despues de la repeticion de 1500 a 3000 ciclos de calor que consisten en calentamiento durante 30 minutos y enfriamiento durante 30 minutos y que Bi continue existiendo en Sn como una solucion solida supersaturada o como precipitados finos a partir de una solucion solida supersaturada, por lo que se exhiben unos efectos excelentes de un tipo que no se penso posible en la parte.

En referencia a los precipitados Bi gruesos formados en la fase inicial de solidificacion, tambien es inesperado que al llevar a cabo un tratamiento de calor a 125 °C durante 200 horas o realizar un ensayo de ciclo de calor durante 500 ciclos a -55 °C y +125 °C durante 30 minutos a cada temperatura, tal Bi pueda dispersarse en Sn como una solucion solida supersaturada o como precipitados finos a partir de una solucion solida supersaturada incluso a temperatura ambiente, y que la fiabilidad de la union se incremente mediante la transmision de una carga termica tal como una lograda mediante el anterior ciclo de calor o dejando la aleacion a una temperatura alta.

El efecto de precipitacion de Bi fino a partir de una solucion solida supersaturada en la presente invencion es diferente del efecto de precipitacion de Bi grueso debido a la segregacion en el momento de solidificacion. En el anterior caso, el Bi fino, que esta presente uniformemente en una matriz Sn como solucion solida supersaturada o como precipitados finos a partir de una solucion solida supersaturada, tiene el efecto de incrementar la resistencia mecanica de la aleacion. En el ultimo caso, Bi, que es un elemento disuelto, se segrega de manera brusca en la porcion solidificada finalmente, en margenes de grano de cristal, y entre brazos de dendrita, por lo que no puede esperarse que Bi proporcione el efecto de supresion de movimiento de dislocaciones y por tanto mejore la resistencia. De esta manera, tal “estructura de aleacion de tipo segregacion” y la “estructura de solucion solida del tipo de precipitado-reversion” antes descrita son claramente distinguibles desde los puntos de vista de sus mecanismos de formacion, sus estructuras metalurgicas y sus efectos.

En otras palabras, en la presente invencion, es necesario preparar una aleacion de manera que tal segregacion de Bi no ocurra. Espedficamente, el medio preferente para este fin incluye ajustar el contenido de Bi y de la aleacion, llevar a cabo una rapida solidificacion en el momento de la preparacion de aleacion, llevar a cabo una rapida solidificacion de sueldas fundidas durante la suelda, o realizar un tratamiento de calor de manera que el Bi grueso formado por segregacion durante la solidificacion se convierta en una solucion solida supersaturada o precipitados finos a partir de una solucion solida supersaturada. Tal tratamiento de calor puede lograrse en el momento de conduccion de una union soldada si la union se usa como una parte que tiene una gran carga termica tal como un dispositivo de potencia montado en un sustrato, o para partes que tienen una pequena carga termica, mediante el calentamiento a 125 °C durante 50 - 300 horas. Es preferente evitar el crecimiento de cristales de dendrita.

Los presentes inventores tambien demostraron que en una aleacion que tiene una composicion cerca de una composicion eutectica Sn-Ag-Cu, la fiabilidad vana con el contenido de Cu. Concretamente, demostraron que con un contenido de Cu de al menos 0,8% de masa, la fiabilidad de una suelda para el uso en un circuito electronico

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montado en vehnculo se mejora, y que al anadir simultaneamente Bi, la resistencia a los ciclos de calor demandados de circuitos electronicos montados en vehnculo que tienen partes electronicas montados en los mismos se satisface.

En la presente descripcion, “resistencia a ciclos de calor demandados por circuitos electronicos montados en vehnculos” significa generalmente que los circuitos pueden usarse establemente durante largos periodos en un entorno de ciclo de calor que se experimenta durante la operacion de un automovil. Espedficamente, significa que las grietas no pasan completamente a traves de las uniones soldadas despues de 1500 ciclos de mantenimiento de una union soldada a -55 °C y + 125 °C durante 30 minutos a cada temperatura en un ensayo de ciclo de calor.

De esta manera, con una estructura de solucion solida del tipo de precipitado-reversion de acuerdo con la presente invencion, cuando una solucion solida se enfna, un elemento disuelto que se disuelve por encima de su lfmite de solubilidad en la matriz produce un mayor incremento en la resistencia que puede obtenerse mediante una solucion solida usual, debido al endurecimiento de solucion solida con una solucion solida supersaturada o refuerzo de precipitacion a partir de una solucion solida supersaturada para formar precipitados finos. Este efecto es similar al efecto de incrementar la resistencia mediante precipitacion de un compuesto intermetalico. Sin embargo, con un compuesto intermetalico, a medida que progresan los ciclos de calor, los cristales aciculares finos precipitados del compuesto intermetalico se vuelven cristales masivos o aglomerados, y el efecto de incremento de resistencia disminuye de manera notable. En comparacion, con una solucion solida supersaturada o con Bi precipitado a partir de una solucion solida supersaturada en la anterior “estructura de solucion solida del tipo de precipitado-reversion”, los elementos disueltos que estan presentes como una solucion solida supersaturada o precipitados finos a partir de una solucion solida supersaturada vuelven a disolverse cuando se calientan a un alta temperatura en un entorno de ciclo de calor, mientras que a temperatura ambiente o a temperatura baja, Bi vuelve al estado de solucion solida supersaturada o precipitados finos de B precipitado a partir de una solucion solida supersaturada en la matriz Sn.

Por consiguiente, con la anterior estructura de solucion solida del tipo de precipitado-reversion, puede esperarse un efecto de mejora de resistencia de Bi en la forma de una solucion solida supersaturada o precipitados finos a partir de una solucion solida supersaturada independientemente del grado en el que avance la fatiga termica. Concretamente, la estructura de Bi, que es una solucion solida supersaturada o se precipita a partir de una solucion solida supersaturada, se restaura repetidamente durante el uso en un entorno de ciclo de calor, por lo que su efecto de mejora de resistencia continua de manera semipermanente. Como resultado, un deterioro en la resistencia de union de uniones soldadas en el entorno de ciclo de calor puede suprimirse, y la resistencia a ciclos de calor de las uniones puede incrementarse.

Cuando la cantidad de Cu que se anade es 1,5 % de masa, es posible obtener una resistencia a ciclos de calor que sea satisfactoria para un circuito electronico montado en vehnculo incluso cuando no se anade Bi. Sin embargo, en este caso, la temperatura de liquidus supera 250 °C, lo que hace que la operacion de montaje sea diffcil. Por lo tanto, en la presente invencion, con una aleacion de suelda destinada al uso para una tarjeta de circuito impreso tfpica, el lfmite superior del contenido de Cu es 1,2 % en masa y preferentemente como mucho 1,0 % en masa.

En general, se cree que la resistencia de la suelda a los ciclos de calor mejora si un componente intermetalico esta presente en la matriz de suelda. Como resultado de una investigacion diligente por los presentes inventores referente a la resistencia a los ciclos de calor de sueldas libres de plomo en las que esta presente un compuesto intermetalico, se demostro que la resistencia a los ciclos de calor vana en gran medida dependiendo de la forma, el tamano y distribucion del compuesto intermetalico. Por ejemplo, si el compuesto intermetalico en la forma de cristales aciculares esta presente, cuando se desarrollan grietas, los cristales aciculares suprimen la propagacion de las grietas ya que actuan como barras de refuerzo en hormigon reforzado. Sin embargo, durante el uso continuado en un entorno de ciclo de calor, los cristales aciculares se vuelven esfericos y gruesos. Si estos se curten hasta un tamano de alrededor de varios micrometres, ya no pueden contribuir a una mejora en la resistencia a los ciclos de calor.

Ademas, tambien se demostro que en un entorno de ciclo de calor, si se desarrolla una grieta en la suelda de una union soldada, los cristales de un compuesto intermetalico que estan presentes en la direccion de la propagacion de la grieta se vuelven esfericos y gruesos debido a las tensiones aplicadas por la grieta. El compuesto intermetalico curtido ya no puede suprimir la propagacion de grietas.

El mecanismo por el que los cristales aciculares finos de Ag3Sn y Cu6Sn5, que son compuestos intermetalicos formados en la matriz Sn de suelda libre de plomo basada en Sn que contiene Ag y Cu, se curten para formar cristales granulares se explicara brevemente.

Cuando Ag3Sn y Cu6Sn5 estan en un estado cristalino fino, el area de la interfaz de estos compuestos intermetalicos con la matriz Sn es extremadamente grande, por lo que estan en un estado en el que la suma de su energfa interfacial es extremadamente alta. Por otro lado, a medida que progresa una reaccion como un fenomeno natural desde un estado de alta energfa a un estado de baja energfa, el area de la interfaz entre Ag3Sn y Cu6Sn5 y la matriz Sn se vuelve menor. Concretamente, estos componentes intermetalicos cambian desde cristales aciculares finos a cristales esfericos grandes. Este curtido de compuestos intermetalicos ocurre facilmente a una alta temperatura en un entorno de ciclo de calor. A medida que progresa el cambio, ya no puede esperarse que los compuestos intermetalicos proporcionen el efecto de mejora de resistencia a ciclos de calor. Incidentalmente, el curtido de los

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compuestos intermetalicos tiene lugar apenas en la punta de un filete donde es relativamente diffcil que se apliquen tensiones, mientras que el curtido es pronunciado en porciones de union tal como la parte inferior de partes de chip donde se concentran las tensiones. Cuando se desarrollan grietas, la esferoidizacion y el curtido de compuestos intermetalicos ocurren en la direccion de la propagacion de las grietas, y los compuestos intermetalicos curtidos ya no pueden detener la propagacion de grietas.

En una estructura de solucion solida del tipo de precipitado-reversion de acuerdo con la presente invencion, si la cantidad de compuestos intermetalicos antes descritos es pequena, es diffcil suprimir la propagacion de grietas. Por tanto, es necesario que al menos 40 % del volumen se ocupe mediante una estructura eutectica de Ag3Sn y Cu6Sn5 con Sn. Para este fin, es necesario que el contenido de Ag sea al menos 2,5 % y que el contenido de Cu sea al menos el 0,8 %. Preferentemente, el contenido de Ag es al menos 2,8 % y el contenido de Cu es al menos 0,9 %.

De acuerdo con los descubrimientos de los presentes inventores, el efecto de Bi en una estructura de aleacion del tipo de precipitado-reversion de acuerdo con la presente invencion queda como sigue.

La presencia de Bi en cualquiera de una solucion solida, una solucion solida supersaturada y una solucion solida que contiene precipitados de Bi finos en una suelda libre de plomo de acuerdo con la presente invencion contribuye a una mejora en la resistencia a ciclos de calor de la suelda libre de plomo. Una solucion solida tiene atomos solutos que estan presentes como atomos intersticiales en posiciones estables en la estructura reticular de cristal de un metal solvente o mediante la sustitucion mutua de un atomo solvente y un atomo soluto en su posicion de estructura reticular de cristal comun. En una suelda libre de plomo de acuerdo con la presente invencion, Bi se disuelve en una matriz Sn para formar una solucion solida. Existe una diferencia en tamano entre atomos de Sn que son los atomos solventes y atomos de Bi que son los atomos solutos, y esta diferencia provoca tensiones en la solucion solida y endurece la aleacion de suelda. En el caso en el que Bi se precipita desde una solucion solida supersaturada, en el punto en que la suelda se acaba de solidificar completamente, Bi se solidifica en la forma de una solucion solida supersaturada. Sin embargo, a medida que disminuye la temperatura posteriormente, se precipita finamente Bi por encima de su lfmite de solubilidad, y ocurre un endurecimiento adicional debido a las tensiones de estructura reticular entre los precipitados y la matriz Sn, conduciendo a una mejora en la resistencia a ciclos de calor.

Por consiguiente, una aleacion de suelda en la que unos compuestos finos intermetalicos estan presentes en una matriz Sn y en la que Bi se disuelve en Sn para formar una solucion solida y luego se precipita desde una solucion solida supersaturada, tiene una resistencia mejorada adicional a ciclos de calor debido a los efectos sinergicos de los compuestos intermetalicos y Bi en las maneras antes descritas.

Cuando un circuito electronico montado en vehnculo esta expuesto a un entorno de ciclo de calor como se ha descrito antes, los compuestos intermetalicos en una suelda libre de plomo se curten y esferoidizan por lo que el efecto de suprimir grietas mediante los compuestos intermetalicos desaparece. Incluso en tales condiciones, la propagacion de grietas puede suprimirse si la propia matriz Sn en la que se disuelve Bi para formar una solucion solida y una matriz Sn en la que se precipita finamente Bi a partir de la solucion solida supersaturada tienen el efecto de mejorar la resistencia a ciclos de calor. Sin embargo, ya que los compuestos finos intermetalicos tienen un efecto suficiente de supresion de grietas hasta que se curten, para continuar con el efecto de supresion de propagacion de grietas, es necesario que al menos el 40 % de volumen se ocupe mediante una estructura eutectica de Ag3Sn y Cu6Sn5 con Sn. Para este fin, es necesario que el contenido de Ag sea al menos 2,5 % y el contenido de Cu sea al menos de 0,8 %. Preferentemente, el contenido de Ag es al menos 2,8 % y el contenido de Cu es al menos 0,9 %.

Bi se disuelve en una matriz de Sn en una concentracion de al menos 12 % de masa a 125 °C. Por tanto, con el contenido de Bi de acuerdo con la presente invencion, cuando la temperatura vuelve a la temperatura ambiente, Bi forma una solucion solida supersaturada, desde la que los precipitados finos de Bi se forman y estan presentes independientemente del grado de fatiga termica de una aleacion. Por tanto, Bi no tiene disminucion en su efecto de mejorar la resistencia de una aleacion a medida que progresan los ciclos de calor, a diferencia de los compuestos intermetalicos tales como Ag3Sn y Cu6Sn5.

Por consiguiente, cuando un miembro que tiene uniones soldadas formadas con una suelda libre de plomo basada en Sn se coloca en un entorno de ciclo de calor, si la matriz de Sn contiene compuestos intermetalicos precipitados en su interior y Bi disuelto en su interior para formar una solucion solida, debido a los efectos sinergicos de los compuestos intermetalicos y la solucion solida Bi, una excelente resistencia a ciclos de calor puede mantenerse en el periodo inicial. Incluso si el miembro se coloca durante largos periodos en un entorno de ciclo de calor y los compuestos intermetalicos adoptan grandes formas esfericas y, por ejemplo, se desarrollan grietas en las suelda de las uniones soldadas, la matriz de Sn que contiene Bi en solucion solida suprime la propagacion de grietas. Por tanto, la vida util de las uniones soldadas se extiende hasta que se separan completamente.

De esta manera, con una suelda libre de plomo que tiene Bi disuelto como una solucion solida en matriz Sn, incluso si la suelda esta dispuesta en un entorno de ciclo de calor extremadamente severo que es inconcebible para un equipo electronico domestico tal como un entorno en el que ocurren 1500 ciclos o 3000 ciclos de exposicion a -55 °C y +125 °C durante 30 minutos en cada temperatura, una excelente resistencia a ciclos de calor puede mantenerse debido a que Bi esta presente como solucion solida en la matriz Sn o como precipitados finos a partir de una solucion solida supersaturada. En la fase inicial despues de la suelda, una porcion de Bi puede estar presente como

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precipitados gruesos debido a la segregacion. Sin embargo, incluso en este caso, cuando un miembro que tiene uniones soldadas con una suelda libre de plomo que contiene Bi se coloca en un entorno de ciclo de calor, Bi, que era grueso en la fase inicial del entorno de ciclo de calor, se refina gradualmente con el paso del tiempo, teniendo como resultado una mejora en la resistencia a ciclos de calor. Naturalmente, existe preferentemente tan poca segregacion de Bi como es posible desde el inicio.

En un ensayo de ciclo de calor de acuerdo con la presente invencion, una pasta de suelda libre de plomo se aplica mediante impresion en un espesor de 150 pm en porciones con motivos formados a soldar (cada una de 1,6 x 1,2 mm) de una tarjeta de circuito impreso, las partes de resistor de chip que miden 3,2 x 1,6 x 0,6 mm se montan en la misma, se realiza la suelda en un horno de reflujo con una temperatura maxima de 245 °C y despues la tarjeta de circuito impreso que tiene las partes de resistor de chip soldadas en la misma se someten a 1500 ciclos, consistiendo cada ciclo en el mantenimiento de -55 °C y +125 °C durante 30 minutos a cada temperatura.

En la presente invencion, “excelente resistencia a ciclos de calor” significa que cuando una fuerza en la direccion horizontal se aplica desde el lado a las partes de resistor de chip en una tarjeta de circuito impreso en un ensayador de resistencia de union despues del anterior ensayo de ciclo de calor hasta que las partes de resistor de chip se despegan, la resistencia promedia (separacion) es al menos 20 N (Newtons) y el valor de resistencia mmimo es al menos 15 N.

No existen limitaciones particulares sobre el modo de uso de una aleacion de suelda para obtener el circuito electrico montado en vetnculo de acuerdo con la presente invencion. Puede usarse para suelda de flujo en la que la suelda se usa en un estado fundido o para suelda de reflujo en la que la suelda se usa como una pasta de suelda para mezclarse con un flujo adecuado. Tambien puede usarse como una suelda de nucleo de colofonia para suelda con un hierro de suelda, o como una preforma de suelda que tiene una forma tal como un microgranulo, un lazo o una bola. Sin embargo, se usa preferentemente como una pasta de suelda.

Efectos de la invencion

Una suelda libre de plomo de acuerdo con la presente invencion tiene una composicion que exhibe excelente resistencia al ciclo de calor, y en un entorno de ciclo de calor, su resistencia a ciclos de calor puede exhibirse suficientemente desde una fase inicial debido a la presencia de cristales aciculares finos o de compuestos intermetalicos y debido a la presencia de Bi que esta disuelto en una solucion solida en la matriz Sn o se precipita como precipitados finos a partir de una solucion solida supersaturada.

Incluso si una suelda libre de plomo de acuerdo con la presente invencion se coloca durante largos periodos en un entorno de ciclo de calor y unos cristales aciculares finos de compuestos intermetalicos se vuelven cristales esfericos gruesos por lo que los compuestos intermetalicos ya no pueden suprimir la propagacion de grietas, debido a la presencia de Bi que esta disuelto como una solucion solida o dispersado como precipitados finos formados a partir de una solucion solida supersaturada, la propia matriz tiene una buena resistencia a ciclos de calor. Por tanto, la suelda puede exhibir una fiabilidad estable durante largos periodos.

Por otro lado, si los compuestos intermetalicos antes descritos son escasos en una estructura de solucion solida del tipo de precipitado-reversion de acuerdo con la presente invencion, es diffcil suprimir la propagacion de grietas. Por tanto, es necesario que la estructura eutectica de Ag3Sn o Cu6Sn5 con Sn ocupe al menos el 40 % del volumen, y para este fin, es necesario anadir al menos 2,5 % de Ag y al menos 0,8 % de Cu. Preferentemente, la cantidad de Ag es al menos 2,8 % y la cantidad de Cu es al menos 0,9 %.

Una suelda libre de plomo de acuerdo con la presente invencion contiene Bi, que desciende la temperatura de liquidus de una aleacion Sn-Ag-Cu, en una cantidad adecuada, es decir, en una cantidad de manera que la temperatura de solidus no desciende demasiado. Por tanto, la suelda puede realizarse en las mismas condiciones que con una suelda libre de plomo Sn-3Ag-0,5Cu que se usa presentemente para suelda de equipo electronico. Por consiguiente, esta tiene las ventajas no solo de poder usarse con equipo de suelda existente, sino tambien tener poco efecto termico en partes electronicas.

Una aleacion de suelda y una union soldada de acuerdo con la presente invencion pueden exhibir suficiente fiabilidad incluso despues de un ensayo de ciclo de calor realizado durante 1500 ciclos.

En la presente invencion, una suelda libre de plomo se caracteriza por contener al menos uno de Ni, Fe, Co en una cantidad total de 0,005-0,05 % en masa y puede exhibir suficiente fiabilidad despues de 1500 ciclos en un ensayo de ciclo de calor. Al mismo tiempo, puede incrementar la vida util de la punta de una soldadora cuando se usa con una soldadora.

En una realizacion de la presente invencion, una suelda libre de plomo que se caracteriza por contener al menos uno de P, Ge y Ga en una cantidad total de 0,0002-0,02 % en masa puede exhibir suficiente fiabilidad incluso despues de 1500 ciclos en un ensayo de ciclo de calor. Al mismo tiempo, puede evitar la decoloracion de la superficie de suelda en un entorno de alta temperatura despues de la suelda.

Con una suelda que tiene una composicion dentro de un intervalo preferente de la presente invencion, la fiabilidad

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puede exhibirse adecuadamente incluso despues de 3000 ciclos de un ensayo de ciclo de calor.

La suelda libre de plomo de acuerdo con la presente invencion se usa para suelda de equipo electronico en la que se montan transistores de potencia o serpentines que generan calor en el momento de uso. Sin embargo, las propiedades de la suelda pueden exhibirse mas eficazmente cuando se usa para un circuito electronico montado en vehnculo. Un circuito electronico montado en vehnculo es un circuito incorporado en un ordenador central de una unidad de control electronica de un automovil. Es un aparato que realiza un control tal como el control de salida de motor o control de frenado, y se instala normalmente en las proximidades de un motor.

Breve explicacion de los dibujos

La Figura 1 es una vista explicativa esquematica de una estructura de solucion solida del tipo de precipitado- reversion usada en la presente invencion.

La Figura 2 es una vista en seccion transversal de un sustrato de ensayo obtenido en el Ensayo 1 del Ejemplo 2. La Figura 3 es una vista en seccion transversal del sustrato de ensayo obtenido en el Ensayo 2 del Ejemplo 2.

La Figura 4 es una vista en seccion transversal de un sustrato de ensayo obtenido en el Ensayo 3 del Ejemplo 2.

Mejor modo de realizacion de la invencion

La composicion de aleacion de la suelda de acuerdo con la presente invencion se decidio por el siguiente motivo.

El lfmite superior en el contenido de Bi es 6 % en masa. Si Bi se anade en una cantidad superior a esto, una gran cantidad de estructura eutectica Sn-Bi se forma debido a la segregacion de Bi durante la suelda. Como resultado, en un entorno de ciclo de calor, Bi no se disuelve completamente en Sn, y el exceso de Bi que se cristaliza fuera en la matriz se curte, por lo que la resistencia a ciclos de calor termina disminuyendo. Si el contenido de Bi es menor de 1,5% en masa, debido al lfmite de solubilidad de Bi a temperatura ambiente, no existe casi expectativa de precipitacion de Bi desde una solucion solida supersaturada, y la resistencia mejorada deseada a ciclos de calor no puede obtenerse. Para mejorar ampliamente la resistencia a ciclos de calor, tanto el efecto de una solucion solida de Bi como el de precipitacion de Bi a partir de una solucion solida supersaturada son necesarios. El contenido de Bi esta preferentemente entre el 2,5-5,5 % en masa. Mas preferentemente es al menos 2,5 % en masa y menos del 5 % en masa.

Ag contribuye a una mejora en la resistencia a ciclos de calor formando el compuesto intermetalico Ag3Sn con Sn. Ademas, Ag tiene los efectos de permitir una buena humectacion en porciones que se han soldado durante la suelda y disminuir la temperatura de liquidus de Sn. Si Ag se anade en una cantidad menor de 2,8 % en masa, la resistencia a los ciclos de calor disminuye, mientras que si se anade en mas del 4 % en masa, no puede esperarse una mejora en la resistencia a ciclos de calor y en la humectacion correspondiente a la cantidad que se anade. Ademas, la temperatura de liquidus se incrementa y empeora la capacidad de suelda. Ademas, la adicion de una gran cantidad de Ag cara no es deseable desde el punto de vista de la econoirna. El contenido de Ag esta preferentemente entre el 3-3,4 % en masa.

Cu es necesario para evitar que el cableado Cu en un sustrato montado o electrodos Cu de partes electronicas se disuelvan en una suelda fundida. En la suelda usual, las uniones soldadas se funden una pluralidad de veces, y en un procedimiento de reparacion, la temperatura de las uniones soldadas se vuelve mayor de lo ordinario durante la suelda. Como resultado, ocurre la erosion Cu en la que Cu en un sustrato o parte electronica se disuelve en una suelda fundida. En particular, con una suelda libre de plomo basada en Sn, Cu tiende a disolverse rapidamente para provocar la erosion de Cu en un sustrato o parte.

Tal erosion Cu se evita en esta invencion mediante la inclusion de Cu en la suelda.

Cuando un elemento semiconductor o sustrato de ceramica se metaliza con Ni y el espesor de metalizado de Ni es pequeno, una disolucion severa de Ni ocurre cuando la suelda se lleva a cabo con una suelda libre de plomo basada en Sn. Como resultado, el metal por debajo de la metalizacion Ni esta expuesto, y la metalizacion Ni ya no puede funcionar como una capa de barrera.

Los circuitos electronicos montados en vehnculo incluyen muchos sustratos de montaje y partes electronicas que son importantes por seguridad. En el momento de la suelda, es necesario evitar completamente la desconexion del cableado o una disminucion en el rendimiento de las partes electronicas. Por tanto, es importante evitar que se disuelva Cu en las porciones que se sueldan. Para evitar la erosion de Cu, es necesario anadir al menos 0,8 % en masa de Cu. Sin embargo, si se anade Cu por encima de 1,2 % en masa, la temperatura de liquidus supera 240 °C, por lo que la temperatura de suelda debe incrementarse, y las partes electronicas y las tarjetas de circuito impreso terminan sufriendo dano termico. La adicion de Cu tambien tiene el efecto de suprimir un deterioro en la resistencia en un entorno de ciclo de calor. Si el contenido de Cu es menor de 0,8 % en masa, no es posible lograr la fiabilidad que cumpla los estandares para circuitos electronicos montados en vehnculo, particularmente cuando el contenido de Bi es menor de 5 % en masa. Un contenido preferente de Cu es 0,9-1,0 % en masa.

En la presente invencion, para mejorar adicionalmente la resistencia a ciclos de calor y mejorar otras propiedades tales como la resistencia mecanica de la propia suelda y la capacidad de suprimir la erosion Cu, al menos un

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elemento seleccionado del grupo que consiste en Ni, Fe y Co se anade en una cantidad total de 0,005-0,05 % en masa. Si la cantidad total de estos elementos opcionales es menor de 0,005 % en masa, el efecto de mejorar las propiedades antes descritas no se exhibe, mientras que si la cantidad total es mayor de 0,05 % en masa, la temperature de liquidus supera 240 °C.

En la presente invencion, al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en P, Ge y Ga puede anadirse en una cantidad total de 0,0002-0,02 % en masa para evitar la oxidacion de la suelda y suprimir su decoloracion. Si la cantidad total de estos elementos opcionales es menor de 0,0002 % en masa, el efecto de evitar la oxidacion no se obtiene, mientras que si se anade mas de 0,02 % en masa, estos transfieren capacidad de suelda.

Ademas, una suelda libre de plomo de acuerdo con la presente invencion puede contener ln y Zn en caso necesario. Cuando se anade ln para disminuir la temperatura de fusion, si se anade mas de 1 % en masa, tanto Bi como ln sufren segregacion, y una porcion de la suelda se funde a 125 °C o menos. Incluso si una fase lfquida de Sn enriquecido con ln y Bi aparece en una porcion de matriz Sn a una temperatura alta de 125 °C, la resistencia de una union soldada no cambia significativamente, pero la ductilidad o la llamada elongacion disminuye significativamente. Si se anade ln por encima de 1 % en masa, la ductilidad casi desaparece, y se vuelve diffcil usar la aleacion para suelda. Por tanto, el contenido de ln en la aleacion Sn-Ag-Cu-Bi es como mucho 1 % en masa.

Aunque Zn sufre una oxidacion severa, esto aumenta la reactividad con el metal y mejora una capacidad de suelda en una atmosfera inerte. Sin embargo, si se anade demasiado Zn en la aleacion Sn-Ag-Cu-Bi, esto incrementa la temperatura de liquidus de la aleacion. Por tanto, el contenido de Zn en la aleacion es preferentemente como mucho 1 % en masa.

Una suelda libre de plomo que tiene una composicion de aleacion de acuerdo con la presente invencion exhibe una resistencia deseada a una alta temperatura, por ejemplo 100 °C o mas, debido al reforzamiento de la solucion solida de una solucion solida que contiene Bi o una solucion solida que contiene Bi con compuestos intermetalicos parcialmente dispersados en su interior en caso necesario y a una baja temperatura, por ejemplo a 25 °C o menos, debido al reforzamiento de solucion solida de una solucion solida supersaturada de Bi o un reforzamiento de precipitacion de Bi. Una union soldada que proporcione ambos efectos no ha existido hasta el momento.

Por consiguiente, la presente invencion tambien se refiere a un circuito electronico montado en vehfculo y particularmente a un circuito semiconductor hfbrido que tiene tal union soldada. A la vista de la excelente resistencia al calor de la union soldada, la presente invencion tambien puede usarse para la suelda de un modulo de potencia.

Ejemplo 1

En este ejemplo, las aleaciones de suelda que tienen las composiciones mostradas en la Tabla 1 se prepararon, y sus propiedades se evaluaron de la siguiente manera.

Los resultados de evaluacion de las propiedades de los ejemplos de la presente invencion y los ejemplos comparativos tambien se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1

Composicidn de aleacion (% en masa) m.p. (°C)*1 Resistencia de union despues del ensayo de ciclos de calor( N) *2 Erosion Cu ’3 Comentarios

Sn

Bi Ag Cu Otros Temperatura de Solidus Temperature de Liquidus 1500 ciclos 3000 ciclos

Promedio

Minutes Promedio Minutos

Ej.

1 rest 1,5 3,3 0,9 204 216 40,0 26,7 25,8 14,8 No al menos 1500 ciclos

2

rest 2 3,3 0,9 202 215 43,3 31,3 28,4 18,1 No al menos 1500 ciclos

3

rest 2,5 3,3 0,9 202 215 48,0 34,2 32,4 20,3 No al menos 3000 ciclos

4

rest 3 3,3 0,9 199 214 52,8 37,0 36,5 22,6 No al menos 3000 ciclos

5

rest 4 3,3 0,9 192 213 64,6 39,7 47,5 24,9 No al menos 3000 ciclos

6

rest 5 3,3 0,9 188 212 70,7 45,0 53,5 29,6 No al menos 3000 ciclos

7

rest 6 3,3 0,9 184 211 52,8 26,0 36,5 14,3 No al menos 1500 ciclos

8

rest 1,5 3 1,1 204 230 37,1 24,1 23,6 12,9 No al menos 1500 ciclos

S

rest 1,5 4 1 204 231 33,6 20,8 20,9 10,8 No al menos 1500 ciclos

10

rest 4 3 1,1 199 230 64,4 42,3 47,3 27,1 No al menos 3000 ciclos

11

rest 4 4 1 199 235 65,1 35,8 48,0 21,6 No al menos 3000 ciclos

12

rest 5 3 1,1 188 230 77,0 48,8 60,1 33,1 No al menos 3000 ciclos

13

rest 5 4 1,2 188 235 83,3 47,5 66,9 31,8 No al menos 3000 ciclos

14

rest 3 3 1 0,03 Ni 199 214 53,0 31,8 36,5 22,6 No al menos 3000 ciclos

15

rest 3 3 1 0,01 Co 199 214 52,7 34,3 36,9 22,3 No al menos 3000 ciclos

16

rest 3 3 1 0,005 Fe 199 214 50,1 32,6 32,6 22,8 No al menos 3000 ciclos

17

rest 3 3 1 0.0002 P 199 214 54,1 32,5 37,9 21,1 No al menos 3000 ciclos

18

rest 3 3 1 0,01 Ga 199 214 52,1 33,9 33,9 23,7 No al menos 3000 ciclos

Composition de aleacion (% en m.p. (°C)*1 Resistencia de union despues del ensayo de

mass) ciclos de calor( N) *2

1500 3000 Erosion Cu *3 Comentarios

Sn Bi Ag Cu Otros Temperatura de Solidus Temperalura de Liquidus ciclos ciclos

Pro medio Minutos Promedio Minutos

19 rest 3 3 1 0,015 P 199 214 49,8 29,9 32,4 21,2 No al menos 3000 ciclos

20 rest 3 3 1 0,005 Ge 199 214 50,0 32,5 35,0 22,8 No al menos 3000 ciclos

21 rest 3 3 1 0,8 In 198 213 48,2 33,7 31,3 21,9 No al menos 3000 ciclos

22 rest 3 3 1 0,2 Zn 199 214 52,8 31,7 34,3 22,2 No al menos 3000 ciclos

1 rest 3 0,5 217 220 20,3 14,3 11,6 6,9 Si mala resistencia a HC

2 rest 3 0,8 217 219 23,8 15,0 14,0 7,3 No mala resistencia a HC

3 rest 3 1 217 230 24,5 18,9 14,4 9,6 No mala resistencia a HC

4 rest 3 1,2 217 249 22,4 11,7 13,0 5,5 No mala resistencia a HC

5 rest 3 1,5 217 256 37,8 22,8 24,1 12,1 No alta temperatura de liquidus,

6 rest 1 2,5 0,5 211 219 21,0 13,0 12,1 6,2 Si mala resistencia a HC

Ej. Comp.

7 rest 1 2,8 0,5 211 218 23,1 14,3 13,5 6,9 Si mala resistencia a HC

8

rest 1 3,3 0,7 208 217 28,0 16,9 16,9 8,4 Si mala resistencia a HC

9 rest 1 3,3 1 208 217 28,1 14,5 16,9 7,0 No mala resistencia a HC

10 rest 1 4 208 230 23,1 13,0 13,5 5,2 Si mala resistencia a HC

11 rest 1,5 2,5 0,5 208 218 21,0 10,4 12,1 4,8 Si mala resistencia a HC

12 rest 2 1,5 1 205 248 14,7 11,7 8,1 5,5 No mala resistencia a HC

13 rest 2 2,5 0,5 205 217 20,3 10,4 11,6 4,8 Si mala resistencia a HC

14 rest 2 3 206 220 24,5 13,0 14,4 6,2 Si mala resistencia a HC

Composicion de aleacion (% en masa) m.p. ("C)*1 Resistencia de union despues del ensayo de ciclos de calor( N) *2 Erosion Cu *3 Comentarios

Sn

Bi Ag Cu 01ros Temperatura de Solidus Temperatura de Liquidus 1500 ciclos 3000 ciclos

Promedio Minutos Promedio Minutos

15 rest 2 3 0,5 203 216 28,8 16,1 17,4 7,9 Si mala resistencia a HC

16

rest 2 3 0,8 203 216 29,8 18,5 18.1 9,4 No mala resistencia a HC

17

rest 2 3,5 206 218 24,5 13,0 14,4 6,2 Si mala resistencia a HC

18

rest 2 4 206 227 26,6 13,0 15,9 6,2 Si mala resistencia a HC

19

rest 3 3 0,7 199 214 35,0 18,9 22,0 9,6 Si mala resistencia a HC

20

rest 3 3,5 201 216 28,7 16,3 17,3 8,0 Si mala resistencia a HC

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rest 3 4 201 225 27,3 15,0 16,4 7,3 Si mala resistencia a HC

22

rest 5 1 0,5 188 223 23,1 14,3 13,5 6,9 Si mala resistencia a HC

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rest 5 3 190 214 56,0 32,5 39,4 19,0 Si

24

rest 5 3 0,5 188 213 63,0 35,8 45,9 21,6 Si

25

rest 5 3 1,5 1 In 185 250 60,2 20,1 40.1 14.2 No alta temperatura de liquidus.

26

rest 5 3,5 190 214 59,5 29,3 42,6 16,6 Si

27

rest 6 3,5 186 215 42,0 16,3 27,4 8,0 Si mala resistencia a HC

28

rest 6 4 187 223 45,5 15,0 30,3 7,3 Si mala resistencia a HC

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rest 7,5 2 0,5 174 210 28,0 15,0 16,9 7,3 No mala resistencia a HC baja temperatura de solidus.

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rest 8 2 172 212 24,5 13,7 14.4 6,5 Si mala resistencia a HC baja temperatura de solidus.

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La medicion del punto de fusion, el ensayo de ciclo de calor y el ensayo de erosion Cu en la Tabla 1 se llevaron a cabo como sigue.

Medicion de punto de fusion (*1):

La temperatura de solidus y la temperatura de liquidus de cada aleacion se midieron usando un calonmetro de escaneo diferencial (DSC) a un ritmo de incremento de temperatura de 5 °C por minuto con un peso de muestra de aproximadamente 15 gramos.

Teniendo en cuenta los efectos termicos en las partes electronicas y la tarjeta de circuito impreso durante la suelda, la temperatura de liquidus es preferentemente 240 °C o menor. Para no reducir la resistencia de union de la union soldada a mayores temperaturas, la temperatura de solidus debena ser al menos 170 °C.

Ensayo de ciclo de calor (*2):

El polvo de suelda que tiene un diametro de partfcula promedio de 30 pm se preparo a partir de cada aleacion de suelda mostrada en la Tabla 1. El polvo de suelda se mezclo con un flujo que tema la siguiente composicion para preparar una pasta de suelda:

cantidad de polvo de suelda: 89 % en masa; cantidad de flujo: 11 en masa. composicion de flujo:

55 % en masa de colofonia polimerizada,

7 % en masa de aceite de ricino hidrogenado,

1 % en masa de Hbr difenilguanidina, y 37 % en masa de dietilenglicol monohexil eter.

Las partes de resistor de chip que median 3,2 x 1,6 x 0,6 mm se soldaron en porciones con motivos formados a soldar midiendo cada una 1,6 x 1,2 mm, proporcionadas en un sustrato epoxi de vidrio FR-4 de seis capas que media 1500 mm x 1400 mm y con un espesor de 1,6 mm. Despues de que la pasta de suelda se imprimiera en las porciones de electrodo del sustrato usando una mascara de metal con un espesor de 150 pm, la suelda se llevo a cabo calentando el sustrato con resistores de chip dispuestos en la misma en un horno de reflujo establecido a una temperatura maxima de 245 °C La tarjeta de circuito impreso resultante (sustrato) con las partes de resistor de chip montadas en la misma se coloco en un ensayador de ciclo de calor para mantener una temperatura de -55 °C y 125 °C durante 30 minutos a cada temperatura, y un sustrato que se expuso repetidamente a este entorno de ciclo de calor durante 1500 ciclos y 3000 ciclos se uso como especimen de ensayo. Las partes de resistor de chip del especimen de ensayo se despegaron usando un ensayador de resistencia a la cizalla a un ritmo de cizalla de 5 mm por minuto, y se midio la resistencia de despegado (N) en este momento. El ensayo se realizo en 15 - 20 espedmenes de ensayo. Los resultados se muestran en la Tabla 1. Los datos en la Tabla 1 son los valores promedios y los valores mmimos para los 15 - 20 espedmenes.

En un ensayo de ciclo de calor, la resistencia de union disminuye principalmente debido a la formacion de grietas. Cuanto mas severa es la propagacion de grietas, menor es la resistencia de union. En este ensayo de ciclo de calor, si las grietas pasan completamente a traves de una union, la resistencia de union de la union se vuelve 10 N o menos. En un ensayo de ciclo de calor durante 1500 ciclos, si el valor promedio de la resistencia de union es al menos 30 N y el valor mmimo es al menos 20 N, las grietas no pasan completamente a traves de las uniones, y la resistencia de union es suficiente desde un punto de vista de fiabilidad. Es posible garantizar una fiabilidad sobre un penodo de tiempo mas largo si el valor promedio de la resistencia de union es al menos 30 N y el valor mmimo es al menos 20 N en condiciones mas severas de 3000 ciclos.

Ensayo de erosion Cu (*3):

Cada aleacion se cargo en un bano de suelda de pequenas ondas con una capacidad de 15 kg y se calento a 260 °C para fundirla. La altura de la onda desde la boquilla del bano de suelda de ondas se ajusto en 5 mm.

El especimen de ensayo usado en este ensayo era un sustrato de epoxi de vidrio FR4 que tema cableado de cobre con un espesor de 35 pm y que se corto a un tamano adecuado.

El procedimiento de ensayo comprendfa aplicar un preflujo en la superficie del cableado de cobre del especimen de ensayo y precalentar el especimen durante aproximadamente 60 segundos para llevar la temperatura del sustrato a aproximadamente 120 °C. El especimen de ensayo se sumergio entonces durante 3 segundos en la suelda fundida de chorro colocandola 2 mm por encima de la boquilla del bano de suelda de onda. Este procedimiento se realizo repetidamente, y se midio el numero de veces que se llevo a cabo la inmersion hasta que la dimension (espesor) del cableado de cobre en el especimen de ensayo se redujo a la mitad. Desde el punto de vista de la fiabilidad de los circuitos electronicos montados en vedculo, debena ser posible llevar a cabo la inmersion al menos cuatro veces sin disminucion en la dimension del cableado a la mitad. Esos espedmenes que no disminuyeron a la mitad en su dimension despues de la inmersion cuatro veces se evaluaron como “no” y aquellos que tuvieron una disminucion en

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

su dimension a la mitad en tres o menos inmersiones se evaluaron como “sr.

Tal como puede verse a partir de los resultados mostrados en la Tabla 1, una suelda libre de plomo de acuerdo con la presente invencion no tiene solo una excelente resistencia a ciclos de calor, sino que ademas no ocurre la erosion Cu.

Ademas, una suelda libre de plomo de acuerdo con la presente invencion tiene una temperatura de solidus de al menos 180 °C, por lo que cuando un circuito electronico montado en vetuculo soldado con una suelda libre de plomo de acuerdo con la presente invencion esta en un estado de alta temperatura debido a que esta dispuesto en las proximidades de la capota de un automovil, no sufre facilmente la separacion. Ademas, tiene una temperatura de liquidus de como maximo 230 °C, por lo que las partes electronicas y las tarjetas de circuito impreso no sufren danos termicos durante la suelda.

En comparacion, las sueldas libres de plomo en ejemplos comparativos que se dice que tienen una excelente resistencia a los ciclos de calor, no satisficieron la resistencia a ciclos de calor (HC) demandada para circuitos electronicos montados en vetuculos, o la temperatura de solidus o la temperatura de liquidus eran demasiado bajas o demasiado altas, por lo que estas sueldas no eran adecuadas para suelda de un circuito electronico montado en vetuculo.

Ejemplo 2

En este ejemplo, las uniones soldadas de un circuito semiconductor tubrido simulado se formaron a partir de una suelda libre de plomo de acuerdo con la presente invencion, y las uniones soldadas se evaluaron de la siguiente manera.

Ensayo 1:

Un granulo de suelda similar a una lamina con un espesor de 200 pm y que media 30 mm x 40 mm con una composicion de suelda como se expone en la Tabla 2 se interpuso entre un sustrato 1 de alumina recubierto de cobre que media 30 mm x 40 mm x 0,3 mm y un substrato 2 de base Cu (sustrato de metal) que media 50 mm x 50 mm x 3,5 mm. La suelda de reflujo se llevo a cabo entonces en una atmosfera de reduccion de hidrogeno con una temperatura maxima de 260 °C para preparar un sustrato de ensayo.

La Figura 2 es una vista en seccion transversal de un sustrato de ensayo obtenido en este ensayo. El sustrato de ensayo se coloco en un ensayador de ciclo de calor establecido para mantener durante 30 minutos cada una de las temperaturas de -55 °C y +125 °C con un tiempo de transicion de 0 minutos entre la temperatura de -55 °C y + 125 °C, y el ritmo de propagacion de las grietas despues de 2000 ciclos se observo en seccion transversal. La Tabla 2 muestra el valor promedio de la longitud de grietas con respecto a la longitud maxima de la union soldada observada con un microscopio optico en la seccion transversal mas larga de la union soldada despues de 2000 ciclos.

Ensayo 2:

Un microgranulo de suelda similar a una lamina de un espesor de 200 pm y que media 35 mm x 70 mm y con una composicion de suelda como se expone en la Tabla 2 se coloco entre un sustrato 5 de alumina revestido de aluminio que media 35 mm x 70 mm x 0,2 mm y un substrato 6 de base Cu que media 50 mm x 120 mm x 3 mm de espesor, y la suelda de reflujo se llevo a cabo en una atmosfera de reduccion de hidrogeno con una temperatura maxima de 260 °C para obtener un sustrato de ensayo.

La Figura 3 es una vista en seccion transversal del sustrato de ensayo obtenido en este ensayo. En las mismas condiciones que en el ensayo 1, el ritmo de propagacion de grietas se observo en seccion transversal despues de 2000 ciclos. La Tabla 2 muestra el valor promedio de la longitud de grietas con respecto a la longitud maxima de una union soldada observada con un microscopio optico en la seccion transversal mas larga de la union soldada despues de 2000 ciclos.

Ensayo 3:

Un microgranulo de suelda similar a una lamina de un espesor de 100 pm y que media 7 mm x 7 mm y con una composicion de suelda como se expone en la Tabla 2 se coloco entre un elemento 9 Si que media 7 mm x 7 mm x 400 mm y un bastidor 10 de plomo Cu que media 20 mm x 20 mm x 0,3 mm de espesor, y la suelda de reflujo se llevo a cabo en una atmosfera de reduccion de hidrogeno con una temperatura maxima de 260 °C para obtener un sustrato de ensayo.

La Figura 4 es una vista en seccion transversal del sustrato de ensayo obtenido en este ensayo. En las mismas condiciones que para el Ensayo 1, el ritmo de propagacion de grietas despues de 2000 ciclos se observo en seccion transversal. La Tabla 2 muestra el valor promedio de la longitud de grietas con respecto a la longitud maxima de la union soldada observada con un microscopio optico en la seccion transversal mas larga de la union soldada despues de 2000 ciclos.

Tabla 2

Composicion (% en % de propagacion de grietas despues de 2000 ciclos de un ensayo de

masa) ciclo de calor

Sn Bi Ag Cu Otros Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3

1 rest 1,5 3 0,8 49 45 35

2 rest 2,5 3 0,9 42 43 25

3 rest 3 3 0,8 30 35 20

E

4 rest 4 3 0,9 32 32 22

J E M P L O s

5 rest 5 3 0,8 25 25 18

6

rest 6 3 0,8 40 36 25

7

rest 3 3 0,9 0,03 Ni 33 34 31

8

rest 3 3 0,9 0,01 Co 35 38 22

9

rest 3 3 0,9 0,005 Fe 35 32 25

10

rest 3 3 0,9 0,0002 P 29 29 26

11

rest 3 3 0,9 0,015 P 30 31 21

12 rest 3 3 0,9 0,005 Ge 35 34 24

13 rest 3 3 0,9 0,8 ln 37 36 25

Cl E ■ o LU O

14 rest 0 3 0,5 75 78 50

15

rest 8 3 0,5 90 89 62

A partir de la Tabla 2, puede verse que con un circuito semiconductor tnbrido de cualquiera de los tipos del Ensayo 1, Ensayo 2 y Ensayo 3, un circuito semiconductor tnbrido formado usando una suelda con una composicion de Sn- 5 Bi-Ag-Cu de acuerdo con la presente invencion tema un menor crecimiento de longitud de grietas y una mayor fiabilidad que un circuito semiconductor tnbrido usando un ejemplo comparativo de una suelda con una configuracion Sn-Ag-Cu.

Claims (5)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   REIVINDICACIONES

   1. Un circuito electronico montado en un vehnculo

   que tiene una union soldada con una suelda libre de plomo,

   caracterizado porque la suelda libre de plomo consiste en Ag: 3 - 4 % en masa, Bi: 2,5 - 5 % en masa, Cu: 0,8 - 1,2 % en masa, al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en Ni, Fe y Co en una cantidad total de 0,005 - 0,05 % en masa, opcionalmente al menos un elemento seleccionado de los siguientes grupos (i) - (iii) y un resto de Sn:

   (i) al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en P, Ge y Ga en una cantidad total de 0,0002 - 0,02 % en masa; y

   (ii) como maximo 1 % en masa de ln; y

   (iii) como maximo 1 % en masa de Zn, y en el que

   la aleacion de suelda tiene una estructura de aleacion que a temperatura ambiente comprende una solucion solida supersaturada de Bi o una solucion solida con Bi precipitado desde la misma como precipitados finos formados a partir de una solucion solida supersaturada, y que a una temperatura de 100 °C o superior en un entorno de ciclo de calor comprende una solucion solida en la que Bi se disuelve de nuevo en una matriz Sn.
2. 2. Un circuito electronico montado en vehnculo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el contenido de Cu en la suelda libre de plomo es 0,9-1,1 % en masa.
3. 3. Un circuito electronico montado en vehnculo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el contenido de Ag en la suelda libre de plomo es 3 - 3,4 % en masa.
4. 4. Un circuito electronico montado en vehfculo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la estructura de aleacion puede obtenerse mediante el calentamiento de la union soldada a una temperatura de 125 °C durante 50 - 300 h.
5. 5. Un circuito electronico montado en vehfculo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los precipitados estan presentes uniformemente en Sn.