SOLDADURA BLANDA SIN PLOMO DESCRIPCION
La invención se refiere a una soldadura blanda sin plomo, particularmente para el empleo en la ingeniería electrónica y eléctrica. Las soldaduras blandas empleadas en la electrónica y la electrotecnia deben tener, además de buenas propiedades humectantes relativas a los componentes metálicos por unirse térmicamente, también la menor resistencia eléctrica posible en la transición de costura, así como la más alta resistencia a esfuerzos alternantes que sea posible, de manera que con estas soldaduras blandas puedan unirse aún materiales con coeficientes de expansión térmica muy diferentes. De gran importancia en esto es también que los puntos de fusión respectivamente las áreas de fusión de las soldaduras se encuentren por un lado lo suficiente por encima de las temperaturas de operación máximas, pero simultáneamente sean suficientemente bajas para evitar que se lastimen los componentes por unir con estas soldaduras debido las temperaturas de fusión requeridas para el proceso de unión con estas soldaduras. Adicionalmente es conveniente para un comportamiento de soldadura óptimo, si las aleaciones
empleadas como soldaduras tengan propiedades eutécticas respectivamente casi eutécticas. Particularmente con soldaduras que se deben usar para la fabricación de esferas BGA (esferas de soldadura para la fabricación de chip) , se requiere forzosamente además de propiedades mecánicas y eléctricas muy buenas además una superficie lisa homogénea del punto de soldadura, para que en el marco de un control de calidad efectivo de los puntos de soldadura, estos puedan evaluarse ópticamente en base al brillo con rapidez y sin error. Por lo tanto, un requerimiento esencial, particularmente respecto a estas aleaciones empleadas para la fabricación de esferas BGA (esferas de soldadura para la fabricación de chip) consiste en que se deben evitar las formaciones de dendritas al enfriarse las soldaduras, ya que las estructuras de grano grueso que se forma en relación con al formación de dendritas gruesas de estaño perjudica de manera muy importante la superficie lisa, homogénea del punto de soldadura, y con esto su brillo. Como las soldaduras frecuentemente forman el área de limite entre materiales con coeficientes de expansión térmica muy diversa, es posible que se generen tensiones cortantes debido a las variaciones de temperatura a causa de la formación de una estructura de grano grueso, mismas que tienen como consecuencia un daño a la unión de
soldadura durante el enfriamiento después de la soldadura. Todas estas muy diversas exigencias precedentemente mencionadas pudieron satisfacerse en su totalidad hasta ahora con las soldaduras de SnPb. Pero, como el plomo es muy tóxico, en el ámbito de la Unión Europea debe eliminarse de la electrónica por razones de seguridad laboral y protección ambiental a más tardar ya partir del año 2006. En US 5,980,822 y US 5,918,795 se han hecho publicado, por ejemplo, soldaduras de SnBi que se ofrecen como alternativas, por ejemplo, para soldaduras SnPb, gracias a sus puntos de fusión bajos. Una desventaja esencial de esas aleaciones consiste también en que bismuto da como resultado propiedades de soldadura pobres. El uso de bismuto, según instruye EP 0858859, para bajar el punto de fusión en aleaciones de estaño -plata - cobre es inconveniente para la aplicación en esferas BGA (arreglo de red de esferas) porque bismuto aumento además la ductilidad y limita seriamente la elasticidad deseable de las esferas de soldadura. Estas soldaduras tienen baja resistencia a esfuerzos cortantes y de durabilidad. En US 6,231, 691 Bl se adiciona a la soldadura eutéctica precedentemente descrita de Sn-4.7%Ag-l .7%Cu, por
un lado, 0.15%Ni. La temperatura de fusión eutéctica de la soldadura básica de 216.8 °C no cambia con esta medida. El componente de cobre usado en esta aleación de soldadura causa, debido a la formación de agujas de CujSn y/o Cu6Sn5, que se puedan puentear aberturas de soldadura relativamente anchas, pero la formación de estas fases intermetálicas tiene forzosamente las desventajas precedentemente descritas respecto a la conveniencia de la soldadura y las propiedades mecánicas y físicas de la unión de soldadura. También se describe previamente en US 6,231,691
Bl una aleación de soldadura con soldadura básica Sn- 4.7%Ag-1.7%Cu y 0.3% Fe. Mediante la adición del componente de aleación Fe no se modifica la temperatura de fusión eutéctica de
216.8 °C, que se encuentra cerca del punto de fusión de Sn puro (223°C). La adición de 0.3% Fe tiene, sin embargo, el efecto que esta soldadura tiende a la formación de óxido y, por lo tanto, no puede emplearse en el campo de la electrónica . De US 5,938,862 se conocen además aleaciones de soldadura de Sn - (8.0% a 10%) In - 3.2%Ag - 1.0%Cu. Pero como el indio existe en yacimientos naturales solamente de forma muy limitada, tiene aproximadamente el doble del
costo de la plata. Esto precio alto del indio tiene entonces un efecto muy importante sobre el precio de la aleación de soldadura, debido a su proporción alta en la aleación. Simultáneamente, el contenido relativamente alto de indio tiene también la consecuencia que esta aleación de soldadura con In es muy blanda. Simultáneamente, el contenido de indio causa particularmente en la aplicación en aleaciones de soldadura no eutécticas que se presenten forzosamente deformaciones (agujeros) , de manera que estas aleaciones de soldadura a consecuencia forzosamente son inadecuadas para la fabricación de esferas de soldadura para la fabricación de chips . Se conocen del estado de la técnica, tal como se describe previamente, por ejemplo, en EP 1231015, una serie de aleaciones de soldadura de Sn-(2.0% a 4%)Ag-(0.5% a 1.5%)Cu. Estas aleaciones de soldadura tienen en común que tienden durante el proceso tecnológico de enfriamiento fuertemente a la formación de dendritas de estaño gruesas, y a consecuencia a tener las desventajas que de esto resultan . En EP 0847829 se describe otra aleación de soldadura, cuyas variantes de soldadura tienden también a
la formación de dendritas de estaño gruesas y que no logran, además, un área de fusión y solidificación óptima de 214 °C - 215°C para el empleo como esferas BGA. La invención se basa, por lo tanto, en la tarea de eliminar las desventajas del estado de la técnica y de desarrollar una soldadura blanda sin plomo con un área de fusión y solidificación, iniciándose en 214 °C, que sea por un lado eutéctica, pero que pueda, por el otro, ampliarse de manera definida hacia arriba mediante dotaciones determinadas, y simultáneamente no tenga tendencia a la formación de dendritas de estaño gruesas, garantice después de la aplicación por fusión una superficie lisa y homogénea de la soldadura, que se distingue además gracias a propiedades físicas y químicas excelentes como, por ejemplo, buenas propiedades humectantes, gran resistencia al esfuerzo alternante, buena resistencia a la corrosión y gran plasticidad y tenacidad, así como también poca resistencia eléctrica, y que sea conveniente para la aplicación como esferas BGA (esferas de soldadura para la fabricación de chips) . Esta tarea se resuelve inventivamente mediante una aleación de soldadura sin plomo Sn-Ag-Cu que se distingue porque consiste de una aleación básica con 5 a 20 % por peso de plata, 0.8 a 1.2 % por peso de cobre, el resto respectivamente plata y las impurezas usuales, siendo
que a la aleación básica se adiciona siempre 0.8 a 1.2 % por peso de indio y - en una primera variante de 0.01 a 0.2 % por peso de níquel - en una segunda variante de 0.01 a 0.2 % por peso de germanio - en una tercera variante de 0.01 a 0.2 % por peso de un elemento lantánidos como, por ejemplo, lantano o neodimio, siendo que las tres variantes mencionadas por último pueden combinarse también entre si y mutuamente en forma de aleaciones previas de manera tal que su suma sea de 0.01 a 0.2% por peso. La soldadura blanda sin plomo inventiva que se obtiene con un componente de plata de 5 a 5.5 % por peso tiene una temperatura de fusión y solidificación casi eutéctica en el área de 214 a 215°C como máximo, evita al enfriarse la formación de dendritas d estaño gruesas y garantiza siempre una superficie lisa y homogénea de la soldadura . Si se incrementa la dotación de plata más allá de 5.5 % por peso hasta 20 % por pesos, entonces se obtiene un área de fusión que pueda aumentar de manera definida en función de la proporción incremental de plata, empezando con la temperatura eutéctica de 214 °C a 215°C.
Estas soldaduras inventivas con una temperatura de fusión y solidifación casi eutéctica, empezando con 214 °C a 215°C, que puede incrementarse hacia arriba de forma definida, evitan al enfriarse la formación de dendritas de estaño gruesas y garantizan siempre una superficie lisa y homogénea del punto de soldadura. La soldadura blanda sin plomo inventiva se distingue además por propiedades físicas y químicas muy buenas como, por ejemplo, una propiedad humectante muy buena, una resistencia muy alta al esfuerzo alternante, buena resistencia a la corrosión, buena plasticidad y tenacidad, así como también por baja resistencia eléctrica y una superficie lisa y homogénea después de aplicar la soldadura mediante fusión. Gracias a las propiedades descritas, la soldadura blanda sin plomo inventiva es conveniente particularmente para la fabricación de esferas BGA (esferas de soldadura para la fabricación de chips) . Otras características, detalles y ventajas de la invención resultan en adición a la redacción de las reivindicaciones también de las siguientes explicaciones relacionadas con el ejemplo de ejecución. La invención se explica a continuación más de cerca en conexión con dos ejemplos de ejecución. En un primer ejemplo de ejecución se describe más
de cerca una soldadura blanda sin plomo inventiva, consistiendo de 98.8 % por peso de una aleación de Sn-5%Ag-l%Cu, y 1 % por peso de indio con 0.2 % por peso de níquel. La adición inventiva de 1 % por peso de indio mejora en esto particularmente propiedades físicas de la soldadura básica de Sn-5%Ag-l%Cu como su propiedad humectante, su resistencia a la corrosión, su plasticidad y tenacidad. La adición inventiva de indio reduce además, garantizando al mismo tiempo propiedades casi eutécticas de la aleación total, la resistencia eléctrica en la transición de costura. En conexión con una adición adicional, inventiva de 0.2% de níquel casi se mantienen - gracias a la composición inventiva - las propiedades eutécticas deseables de la composición total inventiva. Simultáneamente se logra que durante el proceso de enfriamiento tecnológico de la aleación de soldadura blanda inventiva no se formen dendritas de estaño gruesas. En un segundo ejemplo de ejecución se presenta más de cerca una soldadura blanda sin plomo inventiva consistiendo de 98.8 % por peso de una aleación de Sn-5%Ag-l%Cu y 1 % por peso de indio con una dotación de 0.2 % por peso de lantano en la masa fundida. Nuevamente, la adición inventiva de 1 % por peso
de indio mejora particularmente propiedades físicas de la soldadura básica Sn-5%Ag-l%Cu como su propiedad humectante, su resistencia a la corrosión, su plasticidad y tenacidad. La adición inventiva de indio reduce además, garantizando al mismo tiempo propiedades casi eutécticas de la aleación total, nuevamente la resistencia eléctrica en la transición de costura. En conexión con la adición inventiva además de 0.2% de lantano, misma que puede realizarse en forma de lantano puro o como aleación previa con, por ejemplo, níquel o germanio, se mantienen las propiedades eutécticas deseables gracias a la composición total inventiva, así como su punto de fusión de 214°C a 215°C. Durante el proceso de enfriamiento tecnológico de la soldadura blanda inventiva se evita nuevamente la formación de dendritas de estaño gruesas. En comparación con soldaduras SnPbAg y SnAgCu tradicionales, esta soldadura muestra también una superficie homogénea mejorada, un comportamiento de oxidación mejorado y propiedades mecánicas claramente mejoradas, de modo que esta soldadura puede aplicarse de manera óptima para la producción de esferas BGA. Mediante la solución inventiva se ofrece una soldadura blanda sin plomo que tiene un área de fusión y solidificación, empezando en 21 °C, por un lado eutéctica,
pero que, por el otro, puede ampliarse hacia arriba de manera definida con dotación determinada y que simultáneamente tiende de ninguna manera a la formación de dendritas de estaño gruesas, garantiza una superficie lisa y homogénea de la soldadura, se distingue además por buenas propiedades físicas y químicas como, por ejemplo, buena propiedad humectante, alta resistencia a esfuerzos alternantes, buena resistencia a la corrosión, buena plasticidad y tenacidad al igual que baja resistencia eléctrica y que es conveniente para el empleo como esferas BGA (esferas de soldadura para la fabricación de chips) .