MX2014001248A - Aleacion de soldadura con alta tenacidad al impacto. - Google Patents

Aleacion de soldadura con alta tenacidad al impacto.

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Abstract

La invención proporciona una aleación, preferentemente una aleación de soldadura libre de plomo, que contiene: desde 35 hasta 59% en peso de de Bi; desde 0 hasta .0% en peso de de Ag; desde 0 hasta 1.0% en peso de de Au; desde 0 hasta 1.0% en peso de de Cr; desde 0 hasta 2.0% en peso de de In; desde 0 hasta 1.0% en peso de de P; desde 0 hasta 1.0% en peso de de Sb; desde 0 hasta 1.0% en peso de de Sc; desde 0 hasta 1.0% en peso de de Y; desde 0 hasta 1.0% en peso de de Zn; desde 0 hasta 1.0% en peso elementos de tierras raras; uno o más de lo siguiente: 10 [sic] desde más de 0 hasta 1.0% en peso de de Al; desde 0.01 hasta 1.0% en peso de de Ce; desde más de 0 hasta 1.0% en peso de de Co; desde más de 0 hasta .0% en peso de de Cu; desde 0.001 hasta 1.0% en peso de de Ge; desde más de 0 hasta .0% en peso de de Mg; desde más de 0 hasta 1.0% en peso de de Mn; desde 0.01 hasta 1.0% en peso de de Ni; y desde más de 0 hasta 1.0% en peso de de Ti, y la 1 diferencia Sn, junto con cualquiera de las impurezas inevitables.

Description

ALEACIÓN DE SOLDADURA CON ALTA TENACIDAD AL IMPACTO La presente invención se refiere a una aleación, en particular a una aleación de soldadura libre de plomo.
Se conoce un número de aleaciones de soldadura libre de plomo, las cuales proporcionan alternativas no tóxicas para la aleación de soldadura utilizada más ampliamente -la aleación eutéctica de 37%Pb-63%Sn. Ejemplos de esas aleaciones libres de plomo incluyen la aleación eutéctica binaria de 58%Bi-42%Sn (véase, por ejemplo, EUA 5,569,433 B) y la aleación binaria de 40%Bi-60%Sn (véase, por ejemplo, EUA 6,574,411 A). Esas aleaciones presentan una pérdida de ductilidad a tasas de deformación elevadas, que se pueden mejorar con la adición de hasta 1% en peso de plata (véase, por ejemplo, EUA 5,569,433 B) . Sin embargo, las energías de impacto presentadas por estas aleaciones, medidas utilizando la Prueba de Impacto de Charpy, son relativamente bajas. Por consiguiente, existe una necesidad para desarrollar aleaciones de soldadura libre de plomo que presenten tenacidad al impacto mejorada .
Además, con el fin de que esas aleaciones libres de plomo se utilicen en métodos para soldar como pueden soldadura por ondas y de reflujo, las aleaciones deben presentan buena humectabilidad en relación con una variedad de materiales sustrato como pueden ser cobre, níquel y fósforo níquel ("recubrimiento autocatalítico " ) . Esos sustratos se pueden recubrir para mejorar la humectación, por ejemplo utilizando aleaciones de estaño, plata, oro o recubrimientos orgánicos (OSP) . La buena humectación también mejora la habilidad de la soldadura fundida para fluir hacia un hueco capilar, y ascender por las paredes de un taladrado metalizado en una placa de circuitos impresos, para obtener con esto un llenado bueno del agujero.
La presente invención está dirigida a resolver al menos algunos de los problemas asociados con la técnica anterior, o para proporcionar alternativas aceptables comercialmente a estos.
En un primer aspecto la presente invención proporciona una aleación, preferentemente una aleación de soldadura libre de plomo, que consiste en: desde 35 hasta 59% en peso de Bi; desde 0 hasta 1.0% en peso de Ag; desde 0 hasta 1.0% en peso de Au; desde 0 hasta 1.0% en peso de Cr; desde 0 hasta 2 .0% en peso de In; desde 0 hasta 1 .0% en peso de P; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Sb; desde 0 hasta 1 .05? en peso de Se; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Y; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Zn; desde 0 hasta 1 .0% en peso de elementos de tierras raras; uno o más de: desde mayor de 0 hasta 1.0% en peso de Al; desde 0.01 hasta 1.0% en peso de Ce; desde mayor de 0 hasta 1.0% en peso de Co; desde mayor de 0 hasta 1.0% en peso de Cu; desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Ge; desde mayor de 0 hasta 1.0% en peso de Mg; desde mayor de 0 hasta 1.0% en peso de Mn; desde 0.01 hasta 1.0% en peso de Ni; y desde mayor de 0 hasta 1.0% en peso de Ti, y la diferencia de Sn, junto con cualquier impureza inevitable .
De forma sorprendente, se encontró que la incorporación de pequeñas cantidades de uno o más de Ce, Ni y Ge resulta en la aleación que presenta energía de impacto aumentada en comparación con la correspondiente aleación base de Sn-Bi o, si la aleación contiene Ag, la correspondiente aleación base de Sn-Bi-Ag. Esto indica resistencia y ductilidad mejorada de la aleación. Otras ventajas proporcionadas a las aleaciones mediante la incorporación de estos elementos incluyen humectabilidad mejorada, conductividad térmica aumentada, resistencia a la deformación aumentada y resistencia a la tracción aumentada .
Además, la presencia de Ni resulta en la disminución de la tasa de disolución de Cu, mejoras en las propiedades de fatiga térmica, estabilidad de enve ecimiento mejorada (en particular cuando se combina con Cu) y el refinamiento de la microestructura de la aleación. La presencia de Ge reduce la oxidación y, cuando se utiliza como una aleación de soldadura, resulta en uniones brillantes. La presencia de Al y/o Mg puede aumentar la resistencia a la oxidación de la aleación y mejora la humectación. La presencia de Co resulta en tenacidad más alta, disolución de Cu inferior, resistencia a la tracción más alta y una microestructura más refinada (en particular cuando se combina con Cu) . Cuando se utiliza como una aleación de soldadura, la presencia de Co resulta en uniones brillantes y niveles inferiores de granza formados en la parte superior de un tanque abierto de la soldadura. La presencia de Cu en la aleación aumenta la ductilidad, reduce la ocurrencia de la lixiviación del cobre y aumenta la resistencia a la fatiga térmica. Estas propiedades causadas por la presencia de Cu son particularmente pronunciadas en la ausencia de Ag. En particular, sustituyendo Ag por Cu en una aleación base de SnBiAg resulta en la disolución particularmente reducida de Cu, propiedades mecánicas particularmente mejoradas (en particular cuando se combina con Co) , resistencia en caídas particularmente mejorada (en particular cuando se combina con Ni) y resistencia a la fractura por fluencia particularmente mejorada. La presencia de Mn y/o Ti resulta en mejor desempeño en caídas de la aleación. La presencia de Ti resulta en aumento de conductividad térmica y aumento de vida con fatiga térmica.
Definiciones : El término "aleación de soldadura" utilizado en la presente se refiere a una aleación metálica fusible con un punto de fusión en el intervalo desde 90 - 400 grados C.
La "Prueba de impacto de Charpy" mencionada en la presente, también conocida como la prueba de Charpy con entalla en v, es una prueba normalizada de velocidad de deformación elevada que determina la cantidad de energía absorbida por un material durante la fractura. Esta energía absorbida es una medida de la tenacidad de un material determinado y actúa como una herramienta para estudiar la transición dúctil/frágil que depende de la temperatura. Otros detalles relacionados con esta prueba se pueden encontrar en Charpy Impact Test: Factors and Variables, J. M. Holt, ASTM STP 1072, el contenido de la cual se incorpora a la presente para referencia.
El término "humectabilidad" utilizado en la presente se refiere al grado en el cual la soldadura se dispersa en una superficie humectable. La humectabilidad se determina por la tensión de la superficie de la soldadura líquida y su habilidad para reaccionar con la superficie humectable. La humectación también se puede describir en términos del ángulo de contacto del fundido, y la subsiguiente congelación de la aleación de soldadura en un sustrato, con ángulos de contacto inferiores siendo favorecidos sobre los ángulos de contacto elevados .
El término "soldadura por onda" utilizado en la presente se refiere al proceso de soldadura a gran escala por medio del cual los componentes electrónicos se sueldan a una placa de circuitos impresos (PCB) para formar un montaje eléctrico.
El término "soldadura por refusión o de reflujo" utilizado en la presente se refiere al proceso donde la pasta de soldadura se imprime o dispensa, o una preforma de soldadura se coloca en la superficie de una placa de circuito impreso, los componentes se colocan en o cerca de la soldadura depositada, y el montaje se calienta a una temperatura arriba de liguidus (líquida) de la aleación de soldadura.
El término "elemento de tierras raras" utilizado en la presente se refiere a un elemento seleccionado de Se, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb y Lu.
La presente invención ahora se describirá más . En los siguientes pasajes se definen diferentes aspectos de la invención en más detalle. Cada aspecto definido de ese modo se puede combinar con cualquier otro aspecto o aspectos a menos que claramente se indique lo contrario. En particular, cualquier característica indicada como preferida o ventajosa se puede combinar con cualquier otra característica o características indicadas como preferidas o ventajosas.
La aleación puede contener desde 35 hasta 55% en peso de Bi, preferentemente desde 35 hasta 50% en peso de Bi, más preferentemente desde 35 hasta 45% en peso de Bi e incluso más preferentemente alrededor de 40% en peso de Bi . De forma ventajosa, esos contenidos Bi resultan en la aleación que presenta ductilidad aumentada comparada con aleaciones con niveles más altos de Bi . De forma alternativa, la aleación puede contener desde 57 hasta 59% en peso de Bi, preferentemente alrededor de 58% en peso de Bi . De forma ventajosa, esos contenidos de Bi reducen el punto de fusión de la aleación comparada con aleaciones que contienen niveles inferiores de Bi .
Preferentemente la aleación contiene desde 0.01 hasta 0.5% en peso de Ce, más preferentemente desde 0.05 hasta 0.1% en peso de Ce.
Preferentemente la aleación contiene desde 0.01 hasta 0.5% en peso de Ni, más preferentemente desde 0.025 hasta 0.1% en peso de Ni, aún más preferentemente desde 0.025 hasta 0.05% en peso de Ni, más preferentemente alrededor de 0.03% en peso de Ni.
Preferentemente la aleación contiene desde 0.001 hasta 0.1% en peso de Ge, más preferentemente desde 0.001 hasta 0.01% en peso de Ge.
Preferentemente la aleación contiene desde 0.01 hasta 0.8% en peso de Ag, más preferentemente desde 0.3 hasta 0.7% en peso de Ag, aún más preferentemente de 0.4 hasta 0.6% en peso de Ag, incluso aún más preferentemente alrededor de 0.5% en peso de Ag. La presencia de Ag aumenta la ductilidad de la aleación y también reduce la oxidación de la superficie.
Preferentemente, la aleación contiene uno o más de: desde 0 hasta 0.7% en peso de Al, más preferentemente desde 0.003 hasta 0.6 de Al, aún más preferentemente desde 0.003 hasta 0.5% en peso de Al; desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Au, más preferentemente desde 0.003 hasta 0.7 Au, aún más preferentemente desde 0.005 hasta 0.5% en peso de Au; desde 0 hasta 0.5% en peso de Co, más preferentemente desde 0.003 hasta 0.5% en peso de Co, aún más preferentemente desde 0.01 hasta 0.07% en peso de Co, incluso aún más preferentemente desde 0.02 hasta 0.04% en peso de Co, incluso aún más preferentemente alrededor de 0.03% en peso de Co; desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Cr, más preferentemente desde 0.003 hasta 0.7 de Cr, aún más preferentemente desde 0.005 hasta 0.5% en peso de Cr; desde 0 hasta 0.5% en peso de Cu, más preferentemente desde 0.05 hasta 0.4% en peso de Cu, aún más preferentemente desde 0.1 hasta 0.3% en peso de Cu, incluso aún más preferentemente alrededor de 0.2% en peso de Cu; desde 0 hasta 1.5% en peso de In, más preferentemente desde 0.1 hasta 1.0% en peso de In, aún más preferentemente desde 0.2 hasta 1.0% en peso de In, incluso aún más preferentemente alrededor de 1.0% en peso de in; desde 0 hasta 0.2% en peso de Mg, más preferentemente desde 0.05 hasta 0.18% en peso de Mg, aún más preferentemente desde 0.05 hasta 0.1% en peso de Mg; desde 0 hasta 0.2% en peso de Mn, más preferentemente desde 0.05 hasta 0.18% en peso de Mn, aún más preferentemente desde 0.05 hasta 0.1% en peso de Mn; desde 0 hasta 0.01% en peso de P, más preferentemente desde 0.001 hasta 0.01% en peso de P, aún más preferentemente desde 0.005 hasta 0.01% en peso de P; desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Sb, más preferentemente desde 0.003 hasta 0.7 de Sb, aún más preferentemente desde 0.005 hasta 0.5% en peso de Sb; desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Se, más preferentemente desde 0.003 hasta 0.7 de Se, aún más preferentemente desde 0.005 hasta 0.5% en peso de Se; desde O hasta 0.2% en peso de Ti, más preferentemente desde 0.05 hasta 0.18% en peso de Ti, aún más preferentemente desde 0.05 hasta 0.1% en peso de Ti; desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Y, más preferentemente desde 0.003 hasta 0.7 Y, aún más preferentemente desde 0.005 hasta 0.5% en peso de Y; desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Zn, más preferentemente desde 0.003 hasta 0.7 de Zn, aún más preferentemente desde 0.005 hasta 0.5% en peso de Zn; y desde 0.001 hasta 1.0% en peso de elementos de tierras raras, más preferentemente desde 0.003 hasta 0.7 de elementos de tierras raras, aún más preferentemente desde 0.005 hasta 0.5% en peso de elementos de tierras raras; La presencia de In aumenta la ductilidad de la aleación y reduce la oxidación de la superficie. La presencia de Au en la aleación aumenta la ductilidad de la aleación. La presencia de Zn en la aleación refina y redistribuye la fase rica en Bi . Se forma una capa interfacial IMC, la cual impide que se forme una capa de segregación rica en Bi . La presencia de P reduce la oxidación de la aleación. La presencia de Sb mejora la ductilidad de la aleación.
Preferentemente, la aleación contiene únicamente uno de Al y Ni .
Preferentemente la aleación contiene Cu y uno o más de Co y Ni. Una aleación particularmente preferida contiene: desde 57 hasta 59% en peso de Bi; desde 0.1 hasta 0.3% en peso de Cu; uno o más de: desde 0.02 hasta 0.04% en peso de Co; y desde 0.02 hasta 0.04% en peso de Ni, y la diferencia de Sn, junto con cualquiera de las impurezas inevitables .
Preferentemente, la aleación contiene: Alrededor de 58% en peso de Bi ; Alrededor de 0.2% en peso de Cu; uno o más de : alrededor de 0.03% en peso de Co; y alrededor de 0.03% en peso de Ni, y la diferencia de Sn, junto con cualquiera de las impurezas inevitables. Las aleaciones antes descritas que contienen Cu y uno o más de Ni y Co de forma optativa pueden incluir uno o más de los elementos optativos descritos anteriormente.
Las aleaciones antes descritas que contienen Cu y Ni y/o Co de forma ventajosa presentan propiedades mecánicas superiores a la aleación base de SnBi correspondiente. Por ejemplo, estas aleaciones presentan resistencia a la tracción alrededor de 9% más altas, módulos elásticos alrededor de 11% más altos, tenacidad aproximadamente 8.4% más alta (con base en la Prueba de Resistencia al Impacto de Charpy) , elongación de fluencia aproximadamente 8% más alta y tiempo de ruptura de fluencia aproximadamente 11% más largo (80°C, 2.3 kg de carga) en comparación con la aleación base de SnBi.
Las aleaciones antes descritas que contienen Cu y Ni y/o Co de forma ventajosa presentan resistencia a la fatiga térmica superior a la aleación base de SnBi. Por ejemplo, cuando se realiza el Ciclo Térmico Acelerado (condiciones: TC3/NTC-C, -40°C hasta 125°C, 10 minutos de secado) no se observaron grietas para los componentes de un chip hasta 1000 ciclos. Además, no se observaron grietas para los componentes de la matriz de malla de bolas (BGA) hasta por 500-800 ciclos en comparación con las grietas observadas en la aleación base de SnBi después de únicamente 200 ciclos.
Las aleaciones antes descritas que contienen Cu y Ni y/o Co de forma ventajosa presentan resistencia mejorada a las caídas, en particular un aumento de aproximadamente 40% en el número de caídas en una prueba común de resistencia en caídas comparada con la aleación base de SnBi .
Las aleaciones antes descritas que contienen Cu y Ni y/o Co de forma ventajosa presentan, en comparación con la aleación base de SnBi, conductividades térmicas y eléctricas aproximadamente 4% más altas y disolución de Cu aproximadamente 30 veces inferior. Por consiguiente, estas aleaciones son particularmente adecuadas para aplicaciones de listones fotovoltaicos . Las aleaciones son eutécticas con puntos de fusión de aproximadamente 138°C y, en contraste con la aleación base de SnBi, no presentan degradación por envejecimiento. Las aleaciones también presentan microestructuras más refinadas, mejoradas, que presumiblemente contribuyen a sus propiedades mecánicas mejoradas.
Las propiedades antes descritas de las aleaciones que contienen Cu y Ni y/o Co también se presentan cuando las aleaciones o polvos de aleaciones se producen en las escalas de 400 kg y 50 kg, respectivamente, indicando la viabilidad industrial de fabricación de estas aleaciones en una escala industrial.
La aleación puede ser una aleación de soldadura.
Preferentemente la aleación es libre de plomo o esencialmente libre de plomo. Las aleaciones de soldadura libre de plomo son ventajosas debido a la naturaleza tóxica del plomo.
Las aleaciones de la presente invención pueden estar en la forma de una barra, una vara, soldadura a hilo, con un electrodo revestido o sólida, una lámina o cinta, una película, una preforma, o un polvo o pasta (mezcla de polvo más fundente) , o esferas de soldadura para utilizarse en las uniones de la matriz de malla de bolas, o una pieza de soldadura preformada o una unión de soldadura de reflujo o solidificada, o pre-aplicada en cualquier material que se pueda soldar como puede ser un listón de cobre para aplicaciones fotovoltaicas .
Preferentemente la aleación presenta una energía de impacto cuando se mide utilizando la Prueba de Impacto de Charpy al menos 5% mayor que la correspondiente a la aleación base de Sn-Bi o, si la aleación contiene Ag, la aleación base de Sn-Bi-Ag correspondiente. Preferentemente la energía de impacto es al menos 8% mayor, más preferentemente al menos 10% mayor, aún más preferentemente al menos 12% mayor.
Se apreciará que las aleaciones de acuerdo con la presente invención pueden contener impurezas inevitables, aunque, en total, éstas no es probable que excedan 1% en peso de la composición. Preferentemente, las aleaciones contienen impurezas inevitables en una cantidad de no más de 0.5% en peso de de la composición, más preferentemente no más de 0.3% en peso de de la composición, aún más preferentemente no más de 0.1% en peso de la composición.
Las aleaciones de acuerdo con la presente invención pueden consistir esencialmente de los elementos mencionados . Por lo tanto se apreciará que además de aquellos elementos que son mandatorios (es decir Sn, Bi y al menos uno de Ce, Ni, Ge, Ti, Mn, Mg, Al, Cu y Co) otros elementos no especificados pueden estar presentes en la composición considerando que las características esenciales de la composición no son afectadas materialmente por su presencia.
En un segundo aspecto, la presente invención proporciona una aleación que consiste en: desde 41 hasta 43% en peso de Sn; uno o más de : desde 0 hasta 1 .0% en peso de Ag; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Al; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Au; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Co; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Cr; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Cu; desde 0 hasta 2 .0% en peso de In; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Mn; desde 0 hasta 1 .0% en peso de P; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Sb; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Se; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Ti; desde O hasta 1.0% en peso de Y; desde 0 hasta 1.0% en peso de Zn; desde 0 hasta 1.0% en peso de elementos de tierras raras; desde 0.01 hasta 1.0% en peso de Ce; desde 0.01 hasta 1.0% en peso de Ni; y desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Ge; y la diferencia de Bi, junto con cualquiera de las impurezas inevitables.
En un tercer aspecto, la invención proporciona una aleación que consiste en: desde 41 hasta 43% en peso de Sn; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Ag; uno o más de : desde 0 hasta 1 .0% en peso de Al; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Au; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Co; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Cr; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Cu; desde 0 hasta 2 .0% en peso de In; desde 0 hasta 1 .0% en peso de n; desde 0 hasta 1.0% en peso de P; desde 0 hasta 1.0% en peso de Sb; desde 0 hasta 1.0% en peso de Sc¡ desde 0 hasta 1.0% en peso de Ti, desde 0 hasta 1.0% en peso de Y; desde 0 hasta 1.0% en peso de Zn; desde 0 hasta 1.0% en peso de elementos de tierras raras; desde 0.01 hasta 1.0% en peso de Ce; desde 0.01 hasta 1.0% en peso de Ni; y desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Ge; y la diferencia de Bi, junto con cualquiera de las impurezas inevitables.
En un cuarto aspecto, la presente invención proporciona una aleación que consiste en: desde 50 hasta 65% en peso de Sn; uno o más de : desde 0 hasta 1.0% en peso de Ag; desde 0 hasta 1.0% en peso de Al; desde 0 hasta 1.0% en peso de Au; desde 0 hasta 1.0% en peso de Co; desde 0 hasta 1.0% en peso de Cr ; desde 0 hasta 1.0% en peso de Cu; desde 0 hasta 2.0% en peso de In; desde 0 hasta 1.0% en peso de Mn; desde 0 hasta 1.0% en peso de P; desde 0 hasta 1.0% en peso de Sb; desde 0 hasta 1.0% en peso de Se; desde 0 hasta 1.0% en peso de Ti; desde 0 hasta 1.0% en peso de Y; desde 0 hasta 1.0% en peso de Zn; desde 0 hasta 1.0% en peso de elemento desde 0 .01 hasta 1 .0% en peso de Ce; desde 0 .01 hasta 1 .0% en peso de Ni ; y desde 0 .001 hasta 1. OS 5 en peso de Ge; y la diferencia de Bi , junto con cualquiera de las impurezas inevitables.
En un quinto aspecto, la presente invención proporciona una aleación que consiste en: desde 50 hasta 65% en peso de Sn; desde 0 hasta 1.0% en peso de Ag; uno o más de: desde 0 hasta 1.0% en peso de Al; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Au; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Co; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Cr; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Cu; desde 0 hasta 2. 0% en peso de In; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Mn; desde 0 hasta 1. 0% en peso de P; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Sb; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Se; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Ti; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Y; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Zn; desde 0 hasta 1. 0% en peso de elementos desde 0 01 hasta 1 .0% en peso de Ce; desde 0 01 hasta 1 .0% en peso de Ni ; y desde 0 001 hasta 1.0% en peso de Ge; y la diferencia de Bi, junto con cualquiera de las impurezas inevitables .
En un sexto aspecto, la presente invención proporciona una unión soldada que consiste en una aleación seleccionada del primero hasta el quinto aspectos.
En un séptimo aspecto, la presente invención proporciona el uso de una aleación del primero hasta el quinto aspectos en un método para soldar. Esos métodos para soldar incluyen, pero no están restringidos a, soldadura por ondas, soldadura de tecnología de montaje superficial (SMT) , soldadura para unir microplaquitas , soldadura de interfaz térmica, soldadura manual, soldadura por inducción de RF y láser y soldadura por refundición.
En un octavo aspecto la presente invención proporciona una aleación que consiste en: desde 0 hasta 10% en peso de Ag; desde 35 hasta 59% en peso de Bi; y uno o más de : desde 0.01 hasta 1.0% en peso de Ce; desde 0.01 hasta 1.0% en peso de Ni; y desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Ge; desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Al; La invención se describirá ahora, como ejemplo únicamente, con referencia a los siguientes dibujos en los cuales: La Figura 1 es una gráfica que muestra los resultados de la Prueba de Impacto de Charpy en tres aleaciones de acuerdo con el primer aspecto de la invención y un ejemplo de referencia; La Figura 2 es una gráfica que muestra los resultados de la Prueba de Impacto de Charpy en tres aleaciones de acuerdo con el primer aspecto de la invención y tres ejemplos de referencia; La Figura 3 es una gráfica de dispersión lineal en mm un conservante de soldabilidad orgánica de cobre (OSP) de un número de aleaciones de acuerdo con la presente invención y un ejemplo de referencia.
La Figura 4 es una gráfica que muestra los resultados de la prueba de cizallamiento a granel para un número de aleaciones de acuerdo con la presente invención y un número de ejemplos de referencia.
La Figura 5 es una gráfica que muestra los resultados de la Prueba de Dureza para un número de aleaciones de acuerdo con la presente invención y un número de ejemplos de referencia.
La Figura 6 es una gráfica de resistencias a la deformación de un número de aleaciones de acuerdo con la presente invención y un número de ejemplos de referencia.
La Figura 7 es una gráfica de resistencias a la tracción de un número de aleaciones de acuerdo con la presente invención y un número de ejemplos de referencia.
La Figura 8 es una gráfica que muestra los resultados de la prueba de cizallamiento a granel para un número de aleaciones de acuerdo con la presente invención cuando se incorpora en un componente de un chip y un número de ejemplos de referencia.
La Figura 9 es una gráfica que muestra los resultados de la Prueba de Tracción de Plomo para un número de aleaciones de acuerdo con la presente invención cuando se incorpora a un componente de Paquete Cuádruple Plano (QFP) y un número de ejemplos de referencia.
La Figura 10 es una gráfica de conductividades térmicas de un número de aleaciones de acuerdo con la presente invención y un número de ejemplos de referencia.
La Figuras 11-13 muestran imágenes con el microscopio electrónico de las microestructuras de Sn57.6BiO.4Ag, Sn57.45Bi0.5Ag0.05Ni y Sn57.4BiO .5AgO .Hielo, respectivamente .
La Figura 14 muestra el tiempo para la disolución de Cu de un número de aleaciones de acuerdo con la presente invención y un número de ejemplos de referencia.
La Figura 15 muestra los resultados de la prueba de resistencia a caídas para un número de aleaciones de acuerdo con la presente invención y un ejemplo de referencia .
La Figura 16 muestra los resultados de la prueba de fatiga térmica para un número de aleaciones de acuerdo con la presente invención y un número de ejemplos de referencia .
La Figura 17 muestra los resultados de la prueba de fatiga térmica para un número de aleaciones de acuerdo con la presente invención y un número de ejemplos de referencia .
Refiriéndonos ahora a la Figura 1, la Prueba de Impacto de Charpy se realizó (tamaño de muestra 55 x 10 x 15 mm) en cuatro aleaciones (de izquierda a derecha) : Sn57.5BiO .5Ag, Sn57.4BÍ0.5AgO . Hielo , Sn57.495BÍ0.5AgO .005Ge y Sn57.45Bi0.5Ag0.05Ni. Los resultados indican que la presencia de Ce, Ge y Ni resulta en las aleaciones que presentan un aumento en energía de impacto desde aproximadamente 10 hasta 12% comparado con la aleación base de Sn57.5BiO.5Ag.
Refiriéndonos a la Figura 2, la Prueba de Impacto de Charpy se realizó (tamaño de la muestra 55 x 10 x 10 mm) en seis aleaciones (de izquierda a derecha) : Sn58Bi, Sn57.5Bi0.5Ag, Sn45Bi, Sn57.4Bi0.5Ag0.1Ce, Sn57.4555BÍ0.5AgO .005Ge y Sn57.45Bi0.5Ag0.05Ni. Los resultados indican que una reducción en el nivel de Bi y la adición de Ag, Ce, Ge y Ni mejora la tenacidad de las aleaciones. Las Pruebas de Impacto de Charpy realizadas en las aleaciones Sn57.54BÍ0.4Ag0.03Ni0005Mn, Sn57.75Bi0.2Cu0.03Ni, Sn57.7BiO.2CuO.03Co, Sn45Bi0.03Ni y Sn45BiO . lCuO .034Co indicaron que cada una de estas aleaciones presenta una energía de impacto en exceso de 225 kJ. Sn57.7BiO.2CuO.03Co presentó una energía de impacto en exceso de 230 kJ .
Refiriéndonos a la Figura 3 , se determinaron las dispersiones lineales para las aleaciones (de izquierda a derecha): Sn57.6BiO.4Ag, Sn57.5BiO .5AgO .005Ge, Sn57.5Bi0.5Ag0.05Ni y Sn57.5BiO.5AgO.05Ce. Los resultados demuestran que las aleaciones de la presente invención presentan humectabilidad mejorada comparada con su aleación base de Sn-Bi-Ag. Resultados similares se obtuvieron para las aleaciones de Sn58Bi0.2Cu0.03Ni, Sn58Bi0.2Cu0.03Co y Sn58BiO.4AgO.03Ni, para ambas muestras fabricadas en el laboratorio y escalas de 400 kg.
Refiriéndonos a las Figuras 4-7, se demostró que las aleaciones de la presente invención presentan resistencia al cizallamiento mejorado, dureza, resistencia a la deformación y resistencia a la tracción en comparación con su aleación base de Sn-Bi-Ag. En la Figura 4, los resultados de la prueba de cizallamiento a granel se muestran para las siguientes aleaciones (de izquierda a derecha): Sn45Bi, Sn58Bi, Sn57.6BiO.4Ag, Sn58bi0.5AgO .5Ce, Sn58BiO .5AgO .005Ge, Sn57.6Bi0.4Ag0.02Ti , Sn57.6BÍ0.4AgO .02TÍ0.05Ni .
Sn45Bi0.2CuO .005Mn, Sn58Bi0.005A1 , Sn58BiO .005Mn y Sn57.75Bi0.2Cu0.05Ni. En la Figura 5, los valores de dureza se muestran para las siguientes aleaciones (de izquierda a derecha): Sn58Bi, Sn58BiO.4AgO.02Ti, An58BiO .4AgO .02TÍ0.05Ni , Sn58BiO .005A1 , Sn58Bi0.2CuO .02Ni , Sn58BiO .2Cu0.02NÍ0.005Ge, Sn58Bi0.005Mn, Sn58BiO .4Ag0.005Mn y Sn58BiO .4AgO .05NÍ0.005Mn. En la Figura 6 los valores de resistencia a la deformación se muestran para las siguientes aleaciones (de izquierda a derecha) Sn57.5BiO.5Ag, Sn45Bi, Sn57.5Bi0.5Ag0.05Ce, Sn57.5BiO .5Ag0.005Ge, Sn57.5BiO.5AgO.05Ni y Sn57.5Bi0.5Ag0.05 (Ce, Ni)0.005Ge. En la Figura 7 las resistencias a la tracción se muestran para las siguientes aleaciones (de izquierda a derecha) Sn57.5Bi0.5Ag, Sn45Bi, Sn57.5Bi0.5Ag0.05Ce, Sn57.5Bi0.5Ag0.005Ge, Sn57.5BiO.5AgO.05Ni y Sn57.5BiO .5AgO .05 (Ce, Ni) 0.005Ge.
Refiriéndonos a la Figura 8, se demostró que la mejora en la Resistencia al cizallamiento también se presenta en las aleaciones cuando se incorporan en un componente de chip. Los resultados se muestran para las siguientes aleaciones (de izquierda a derecha): Sn57.6BiO.4Ag, Sn57.6BiO.4AgO.05Ni, Sn57.6BÍ0.4Ag0.005Ge y Sn57.6Bi0.4Ag0.05Ce .
Refiriéndonos a la Figura 9, se demostró que cuando las aleaciones se incorporan en los componentes QFP, la fuerza requerida para jalar el plomo del chip después de la soldadura aumenta en comparación con su aleación base de Sn-Bi-Ag. En la Figura 9 se muestran los resultados para las siguientes aleaciones (de izquierda a derecha) Sn57.6BiO.4Ag, Sn57.6BiO.4AgO.05Ni, Sn57.6BiO .4AgO .005Ge y Sn57.6BiO.4AgO.05Ce.
Refiriéndonos a la Figura 10, se demostró que las aleaciones de la presente invención presentan conductividad térmica mejorada en comparación con su aleación base de Sn-Bi / Sn-Bi-Ag. Los resultados se muestran para las aleaciones Sn58Bi (cuadrados más pequeños), Sn57.5BiO.5Ag (triángulos), Sn57.5BiO.5AgO.05Ce (cuadrados más grandes) y Sn57.5BiO.5AgO.05Ni (diamantes).
Refiriéndonos a la Figuras 11-13, se demostró que pequeñas adiciones de ciertos elementos tienen el efecto ventajoso de refinar la microestructura, originando, por ejemplo, propiedades mecánicas mejoradas. Las imágenes tomadas con el micrógrafo electrónico de las aleaciones Sn57.8BiO.2CuO.03Ni y Sn57.8BiO.2CuO.03Co muestran microestructuras que aún están más refinadas.
Refiriéndonos a la Figura 14, se demostró que las aleaciones Sn58BiO .2CuO .06 y Sn58BiO.2CuO.03Co presentan muy baja disolución de Cu. Por consiguiente, debido a que estas aleaciones también presentan alta conductividad eléctrica, son particularmente adecuadas para las aplicaciones fotovoltaicas . Los resultados en la Figura 14 se muestran para las aleaciones (de izquierda a derecha): Sn58Bi0.4Ag, Sn58BiO.4AgO.03Ni, Sn58Bi0.4Ag0.03Ti, Sn58BiO .4Ag0.007Mn, Sn58Bi0.2Cu0.06Ni, Sn58BiO.2CuO.03Co, Sn45Bi, Sn45Bi0.1Cu, Sn45Bi0.02Ni y Sn45BiO.lCuO.06Co.
Refiriéndonos a la Figura 15, los resultados de la prueba de resistencia en caídas se indican para las aleaciones Sn58BiCuO .2NiO .06 (círculos, número promedio de caídas hasta la falla: 324.5), Sn58BiCuO .2Co0.03 (cuadrados, número promedio de caídas hasta la falla 289.9), Sn58Bi0.04Ag (diamantes, número promedio de caídas hasta la falla 174.7) y Sn58Bi0.4Ag0.05Ni (triángulos, número promedio de caídas hasta la falla 259.0). La prueba de resistencia en caídas siguió la norma JEDEC JESD22-B111 (condiciones de la prueba: 1500 Gs , 0.5 milisegundos de duración, impulso de forma de semisinusoide) . Las placas se poblaron con componentes de la matriz de malla de bolas (BGA) en todas las 15 posiciones disponibles. Los resultados indican que las aleaciones de la presente invención presentan resistencia en caídas mejorada comparada con la aleación Sn58Bi0.4Ag.
Refiriéndonos a la Figura 16, la prueba de fatiga térmica se realizó en las aleaciones Sn58Bi (diamantes), Sn57.6BiO.4Ag (triángulos rellenos), Sn57.6BiO.4AgO.03Ni (círculos huecos), Sn57.6BiO .4Ag0.0033Ge (triángulos huecos), Sn57.6BiO .4Ag0.056Ce (cuadrados) y Sn45Bi (cruces). Las condiciones del ciclo térmico corresponden a la norma TC3/NTC-C (-40 hasta 125°C; 10 minutos de tiempo de secado) . Las aleaciones de la presente invención presentaron muy poca variación en la resistencia al cizallamiento después de 1500 ciclos comparadas con aquellas de las aleaciones Sn58Bi y Sn45Bi. Además, no se observaron grietas después de 1500 ciclos para ninguna de las aleaciones de la presente invención .
Refiriéndonos a la Figura 17, la prueba de fatiga térmica se realizó en las aleaciones Sn57.6BiO.4Ag (diamantes, 3a fuerza de cizallamiento más alta después de 1000 ciclos), Sn58Bi (cuadrados, 5a fuerza de cizallamiento más alta después de 1000 ciclos), Sn57.6Bi0.2Cu0.03Ni (triángulos, fuerza de cizallamiento más alta después de 1000 ciclos), Sn57.6BiO.2CuO.03Co (círculos oscuros, 2a fuerza de cizallamiento más alta después de 1000 ciclos), Sn57.6Bi0.4Ag0.03Ni (cruces, fuerza de cizallamiento más baja después de 1000 ciclos) y Sn57.lBiO.9Ag (círculos claros, 4a fuerza de cizallamiento más alta después de 1000 ciclos) . Las condiciones del ciclo térmico fueron las mismas que las utilizadas para la prueba que se muestra en la Figura 16. Se utilizaron 36 placas BGA84 para la prueba por aleación. Únicamente 26 placas de SnBi0.4Ag y 24 de las placas de Sn58Bi sobrevivieron 1000 ciclos. En comparación, todas las 36 placas de Sn57.6Bi0.2Cu0.03Ni, Sn57.IBi0.9Ag y Sn57.6BiO.4AgO.03Ni, y 35 placas de Sn57.6Bi0.2Cu0.03Co, sobrevivieron 1000 ciclos .
La descripción detallada anteriormente se ha proporcionado como explicación e ilustración, y no se intenta limitar el alcance de las reivindicaciones anexas. Muchas variaciones en las modalidades preferidas actualmente que se muestran en la presente serán evidentes para una persona con experiencia en la técnica, y permanecen dentro del alcance de las reivindicaciones anexas y sus equivalentes .

Claims (20)

  1. REIVINDICACIONES 1. Una aleación, preferentemente una aleación de soldadura libre de plomo, que consiste en: desde 35 hasta 59% en peso de Bi; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Ag; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Au; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Cr; desde 0 hasta 2 .0% en peso de in; desde 0 hasta 1 .0% en peso de P; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Sb; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Se; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Y; desde 0 hasta 1 .0% en peso de Zn; desde 0 hasta 1 .0% en peso de ele uno o más de: desde mayor de 0 hasta 1.0% en peso de Al; desde 0.01 hasta 1.0% en peso de Ce; desde mayor de 0 hasta 1.0% en peso de Co; desde mayor de 0 hasta 1.0% en peso de Cu; desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Ge; desde mayor de 0 hasta 1.0% en peso de Mg; desde mayor de 0 hasta 1.0% en peso de Mn; desde 0.01 hasta 1.0% en peso de Ni; y desde mayor de 0 hasta 1.0% en peso de Ti, y la diferencia de Sn, junto con cualquiera de las impurezas inevitables . 2. Una aleación como se reclama de acuerdo con reivindicación 1, que consiste en desde 35 hasta 55% peso de Bi . 3. Una aleación como se reclama de acuerdo con la reivindicación 1, que consiste en desde 57 hasta 59% en peso de Bi . Una aleación que consiste en desde 41 hasta 43% en peso de Sn; uno o más de: desde 0 hasta 1.0% en peso de Ag; desde 0 hasta 1.0% en peso de Al; desde 0 hasta 1.0% en peso de Au; desde 0 hasta 1.0% en peso de Co; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Cr; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Cu; desde 0 hasta 2. 0% en peso de In; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Mn; desde 0 hasta 1. 0% en peso de P; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Sb; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Se; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Ti ; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Y; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Zn; desde 0 hasta 1. 0% en peso de elementos desde 0 01 hasta 1 0% en peso de Ce; desde 0 01 hasta 1 0% en peso de Ni; y desde 0.001 hasta 1.0% en peso de Ge; y la diferencia de Bi, junto con cualquiera de las impurezas inevitables . Una aleación que consiste en desde 41 hasta 43% en peso de Sn; desde 0 hasta 1.0% en peso de Ag; uno o más de: desde 0 hasta 1.0% en peso de Al; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Au; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Co; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Cr; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Cu; desde 0 hasta 2. 0% en peso de In; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Mn; desde 0 hasta 1. 0% en peso de P; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Sb; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Se; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Ti; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Y; desde 0 hasta 1. 0% en peso de ??,-desde 0 hasta 1. 0% en peso de elernent desde 0 01 hasta 1. 0% en peso de Ce; desde 0 01 hasta 1. 0% en peso de Ni; desde 0 001 hasta 1 .0% en peso de Ge; y la diferencia de Bi, junto con cualquier impureza inevitable . Una aleación que consiste en desde 50 hasta 65% en peso de Sn; uno o más de : desde 0 hasta 1. 0% en peso de Ag; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Al; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Au; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Co; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Cr; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Cu; desde 0 hasta 2. 0% en peso de In; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Mn; desde 0 hasta 1. 0% en peso de P; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Sb; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Se; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Ti; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Y; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Zn; desde 0 hasta 1. 0% en peso de element desde 0 01 hasta 1. 0% en peso de Ce; desde 0 01 hasta 1. 0% en peso de Ni; desde 0 001 hasta 1 .O? ¾ en peso de Ge; Y la diferencia de Bi, junto con cualquiera de las impurezas inevitables. Una aleación que consiste en desde 50 hasta 65% en peso de Sn; desde 0 hasta 1.0% en peso de Ag; uno o más de desde 0 hasta 1. 0% en peso de Al; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Au; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Co; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Cr; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Cu; desde 0 hasta 2. 0% en peso de In; desde 0 hasta 1. 0% en peso de n; desde 0 hasta 1. 0% en peso de P; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Sb; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Se; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Ti ; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Y; desde 0 hasta 1. 0% en peso de Zn; desde 0 hasta 1. 0% en peso de elementos desde 0 .01 hasta 1. 0% en peso de Ce; desde 0 .01 hasta 1. 0% en peso de Ni; y desde 0 .001 hasta 1 .05 ¾ en peso de Ge; y la diferencia de Bi , junto con cualquiera de las impurezas inevitables . 8. Una aleación como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que consiste en desde 0.01 hasta 0.5% en peso de Ce, preferentemente desde 0.05 hasta 0.1% en peso de Ce. 9. Una aleación como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que consiste en desde 0.01 hasta 0.5% en peso de Ni, preferentemente desde 0.025 hasta 0.1% en peso de Ni, más preferentemente desde 0.025 hasta 0.05% en peso de Ni. 10. Una aleación como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que consiste en desde 0.001 hasta 0.1% en peso de Ge, preferentemente desde 0.001 hasta 0.01% en peso de Ge. 11. Una aleación como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que consiste en desde 0.01 hasta 0.8% en peso de Ag, preferentemente desde 0.3 hasta 0.7% en peso de Ag, más preferentemente desde 0.4 hasta 0.6% en peso de Ag, aún más preferentemente alrededor de 0.5% en peso de Ag. 12. Una aleación como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que consiste en: desde 0 hasta 0. .7% en peso de Al; desde 0 hasta 0. .5% en peso de Co; desde 0 hasta 0. .5% en peso de Cu; desde 0 hasta 1. .5% en peso de in; desde 0 hasta 0. .5% en peso de Mg; desde 0 hasta 0. .2% en peso de Mn; desde 0 hasta 0. .OIS? en peso de P; y desde 0 hasta 0. .1% en peso de Ti . 13. Una aleación como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que consiste en uno o más de: desde 0.003 hasta 0.5% en peso de Co; desde 0.1 hasta 0.5% en peso de Cu; y desde 0.2 hasta 1.0% en peso de In. 14. Una aleación como se reclama de acuerdo con la reivindicación 1 que consiste en: desde 57 hasta 59% en peso de Bi ; desde 0.1 hasta 0.3% en peso de Cu; uno o más de : desde 0.02 hasta 0.04% en peso de Co; y desde 0.02 hasta 0.04% en peso de Ni, y la diferencia de Sn, junto con cualquier impureza inevitable . 15. Una aleación como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la aleación es una aleación de soldadura, preferentemente una aleación de soldadura libre de plomo. 16. Una aleación como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones precedentes en la forma de una barra, una vara, una soldadura a hilo o con un electrodo revestido o sólida, una lámina o cinta, una película, una preforma, o un polvo o pasta (mezcla de polvo más fundente) , o las esferas de soldadura para utilizarse en las uniones de la matriz de malla de bolas, o una pieza de soldadura preformada o una soldadura de reflujo o solidificada, o preaplicada en cualquier material que se pueda soldar como puede ser un listón de cobre para las aplicaciones fotovoltaicas . 17. Una aleación como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones precedentes que presenta una energía de impacto cuando se mide utilizando la Prueba de Impacto de Charpy de al menos 5% mayor que la correspondiente a la aleación base de Sn-Bi o, si la aleación contiene Ag, la correspondiente aleación base de Sn-Bi-Ag, preferentemente al menos 10% mayor. 18. Una unión soldada que consiste en una aleación como se define en cualquier reivindicación precedente. 19. El uso de una aleación como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1-17 en un método para soldar. 20. El uso como se reclama de acuerdo con la reivindicación 19 en donde el método para soldar se selecciona de soldadura por ondas, soldadura de tecnología de montaje superficial, soldadura para unir microplaquitas , soldadura de interfaz térmica, soldadura manual, soldadura por inducción de RF y láser y soldadura por refundición.
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