Los intermetálicos en una soldadura, ¿una pesadilla?
Los intermetálicos son la parte mas frágil de la soldadura de los componentes electrónicos pero a su vez son la parte más importante de la misma para garantizar su fortaleza y confiabilidad a largo tiempo ya que si no hay intermetálicos no hay unión de soldadura.
¿Qué son los intermetálicos?
Para que una soldadura se adhiera correctamente, su componente primario debe disolver parte del metal de la superficie donde se va a soldar. Este proceso forma una capa compuesta básicamente por una aleación de los dos metales a unir, recibiendo el nombre de intermetálicos debido a su composición química y que pueden o tienen la posibilidad de afectar adversamente la integridad mecánica de la soldadura. La siguiente gráfica ilustra la definición anterior:
Notamos a la izquierda como se han formado sobre el pad del componente una capa intermetálica de Cu6Sn5 en una unión de soldadura libre de plomo tipo SAC305 y a la derecha la formación de una capa de Cu3Sn en una soldadura tradicional SnPb sobre el revestimiento del pad.
Los dos intermetálicos mas comunes estan constituidos por estaño/cobre (SnCu) y estaño/nickuel (SnNi)
¿Su formación ocurre solo al momento de soldar?
Son formados por procesos de disolución y migración de los metales al momento de soldar y evolucionan aumentando de tamaño con los ciclos naturales de expansión y contracción de la soldadura producidos por la temperatura, haciéndose mas densos por la migración de átomos del constituyente primario de la soldadura (estaño en nuestro caso) hacia la capa intermetálica. Este proceso es acumulativo y es acelerado por la exposición continua de las tarjetas a vibraciones y temperaturas altas de trabajo.
¿Cómo pueden afectar la resistencia mecánica de una soldadura?
- Cuando las uniones de soldadura son sometidas al stress mecánico producido por vibraciones o exposición a ciclos térmicos por calentamiento del producto final, la unión de sus capas intermetálicas con el pad o la aleación básica de la soldadura usualmente inician un proceso de agrietamiento acumulativo debido a que tienen diferentes propiedades de ductilidad como podemos apreciar en la figura inferior derecha.
- Si la tarjeta funciona en un ambiente agresivo como las zonas costeras, las bombas de gasolina, etc., la humedad relativa del ambiente combinada con la salinidad o vapores agresivos del aire, representan un factor de riesgo muy alto de acortar la vida útil de una soldadura una vez se inicia su fractura.
- Si se aplica un perfil inadecuado de temperatura durante el proceso de soldadura y se producen uniones porosas, entonces el riesgo de agrietamiento a partir de los poros será mucho mayor ya que afecta la unión de la capa intermetálica con el estaño de la soldadura como lo ilustra la figura superior izquierda.
¿Cómo determina la industria la ocurrencia de este fenómeno?
Existen técnicas de envejecimiento de las tarjetas ya ensambladas que las someten a ciclos térmicos con excursiones de temperatura que van desde 0 °C a 100 °C para simular las eventuales condiciones de trabajo que tendría el producto durante su vida útil. Este procedimiento de simulación permite predecir el comportamiento de las soldaduras ante los niveles de stress mecánico acumulados que soportarán a largo tiempo las tarjetas. Después del proceso se utilizan métodos de análisis usando microscopio electrónico (SEM) y microsección de la soldaduras para determinar precisamente los daños producidos por el proceso de envejecimiento. Las siguientes figuras ilustran las fracturas encontradas al final del proceso:
¿A qué aleaciones de soldadura afecta?
Como se puede observar en las figuras anteriores, el deterioro por envejecimiento afecta por igual a todo tipo de soldaduras en productos electrónicos haciendo honor al principio universal de que nada es eterno.
Conocido el problema, ¿cómo alargar la vida útil de un producto?
Similar a la salud del ser humano, todas las precauciones tomadas al momento del diseño de la tarjeta y su adecuada instalación final teniendo en cuenta algunos de los siguientes factores, tendrán como resultado el fortalecimiento y una larga vida del producto final:
- Diseño para evacuar eficientemente el calor generado por los componentes de una tarjeta y del producto final.
- Disminuir el stress mecánico transmitido a la tarjeta producido por vibraciones.
- Tener en cuenta la agresividad del ambiente donde va a funcionar la tarjeta para elegir el tipo de aislamiento IP que debe tener la caja o cerramiento donde va ser alojada.
- De ser el caso, elegir la aplicación de un revestimiento protector de la tarjeta (Conformal Coating) si la tarjeta necesariamente debe ser expuesta a ambientes agresivos.
- Elegir un proveedor de servicio de ensamble idóneo o implementar el proceso de soldadura que garantice la aplicación de un correcto perfil de temperatura a nuestros componentes de acuerdo al tipo de soldadura usada para obtener la adecuada formación de los intermetálicos.
Conclusiones:
Los intermetálicos son un mal necesario para obtener una buena soldadura. Con la erradicación del plomo de los componentes electrónicos desde 2006 se ha vuelto mas crítico su control ya que las ventanas de trabajo de los procesos para controlar su correcta formación son mas estrechas que las de la soldadura tradicional con plomo. El compromiso de todos con el ambiente y la entrada al mercado de nuevas soldaduras libres de plomo como la SAC305 exige el uso de equipos de soldadura con un control mucho mas preciso del perfil de temperatura para que los intermetálicos de la soldadura se formen adecuadamente y poder lograr una soldadura fiable durante la vida útil del producto.
Bibliografía:
- Intermetallics in solder joints. By By Ed Hare, Ph.D. April 2013
http://www.semlab.com/papers/intermetallicsinsolderjoints.pdf
- What are Intermetallics and How Can We Overcome the Failures Associated with Them? By: Aaron Olson, Lab Technician.
http://www.tch.es/wp-content/uploads//Intermetallics.pdf
PRECAUCIÓN: Las anteriores consideraciones están basadas en las experiencias y prácticas comunes de los procesos de ensamble y soldadura de circuitos impresos y son publicadas con propósitos educativos solamente. Úselas bajo su propio riesgo con otros fabricantes.