Evolución de la tecnología: Iver Anderson obtiene el liderazgo de la soldadura electrónica

Mar 12, 2023

Iver Anderson, inventor. Del sitio web del Salón de la Fama de los Inventores Nacionales.

La soldadura, el proceso mediante el cual dos elementos se unen mediante la fusión de un metal de aporte con un punto de fusión bajo y el vertido de metal líquido en la unión, es un proceso que se utiliza en muchos procesos metalúrgicos importantes en la actualidad, desde la fabricación de productos electrónicos hasta la instalación de tuberías de plomería. Sin embargo, la evidencia de técnicas de soldadura primitivas se remonta a miles de años atrás, a sitios de la antigua Mesopotamia.

Durante mucho tiempo, gran parte del proceso de soldadura utilizado por diversas industrias se basó en el uso de soldaduras a base de estaño y plomo, cuyos impactos en la salud y el medio ambiente llevaron a la aprobación de leyes como la Ley de Agua Potable Segura de 1986. Las soldaduras a base de plomo fueron un importante contribuyente de plomo que se filtra en los suministros de agua y tales soldaduras y tuberías han contribuido a crisis de salud como los altos niveles de plomo en el agua potable de Flint, MI. Los altos niveles de plomo en el cuerpo humano pueden provocar problemas de desarrollo en los niños, así como presión arterial alta y daño renal en los adultos.

El pasado domingo 18 de junio se cumplió el 21 aniversario de la emisión de una importante patente que protege una soldadura sin plomo que ha encontrado grandes aplicaciones en la fabricación de productos electrónicos y otras industrias. Su inventor, el profesor y metalúrgico Iver Anderson, es uno de los miembros de 2017 del Salón de la Fama de los Inventores Nacionales. Hoy en día, el 70 por ciento de los productos electrónicos fabricados en todo el mundo utilizan la soldadura sin plomo de Anderson. Las regalías de la patente, que expiró en 2013, superaron los 58 millones de dólares, lo que la convierte en la patente más valiosa en la historia del Laboratorio Ames y la Universidad Estatal de Iowa, instalaciones donde Anderson completó la investigación y el desarrollo de su invento.

En el mundo de la electrónica, la soldadura es un paso crucial para unir los muchos componentes electrónicos diminutos dentro del dispositivo de tal manera que permita que fluya una corriente eléctrica, lo que permite que se lleven a cabo las funciones electrónicas del dispositivo. Los circuitos se pueden crear en una placa de prueba sin soldadura, pero sin soldadura, un circuito se deteriorará en el transcurso de unos pocos días. Aunque la soldadura también se usa para unir tuberías en aplicaciones de plomería, el tipo de soldadura utilizada es diferente; la soldadura utilizada para aplicaciones electrónicas es de un calibre mucho más pequeño que la soldadura de plomería y la soldadura de plomería usa un componente de fundente ácido que es demasiado corrosivo para aplicaciones electrónicas.

Durante muchos años, los materiales a base de plomo fueron la opción más popular para soldar en aplicaciones electrónicas por varias razones. Las soldaduras a base de plomo eran rentables, tenían un punto de fusión bajo, alta resistencia y buena resistencia a la corrosión. Aunque el conjunto de conocimientos sobre los efectos venenosos del plomo en los seres humanos y el medio ambiente creció a lo largo del siglo XX, no había soldaduras sin plomo que tuvieran características similares a las soldaduras a base de plomo disponibles para reemplazar el uso de plomo en productos electrónicos.

A fines de la década de 1990, la industria microelectrónica de EE. UU. estaba tomando medidas para desarrollar soluciones sin plomo para soldar componentes electrónicos. Los estándares electrónicos desarrollados en 1997 por Association Connecting Electronics Industries (IPC) iniciaron el alejamiento de la industria electrónica del uso de soldaduras con base de plomo en respuesta a las presiones legislativas y reglamentarias. Según el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), la necesidad dentro de la industria de datos de materiales sobre soldaduras sin plomo también se especificó en la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores de 1999.

A nivel internacional, el entorno regulatorio que rodea el uso de soldaduras a base de plomo en la fabricación de productos electrónicos aumentó durante la primera década del siglo XXI. En febrero de 2003, la Unión Europea promulgó una ley que prohibía la fabricación de productos electrónicos que contuvieran plomo o el envío de dichos productos a la UE; esa ley entró en vigencia en julio de 2006. Los reguladores japoneses también tomaron medidas para reducir los niveles de plomo utilizados en la fabricación de productos electrónicos a fines de la década de 1990.

Sin embargo, a fines de la década de 1990, Iver Anderson ya había desarrollado la soldadura sin plomo que se convertiría en el producto de soldadura líder en la industria en unas dos décadas. En lugar de una aleación de estaño y plomo, Anderson y su equipo de investigación se centraron en el uso de una aleación de estaño, plata y cobre (Sn-Ag-Cu) para soldar. Al igual que la versión anterior a base de plomo, la soldadura de estaño, plata y cobre se comportaba como un metal puro con un solo punto de fusión.

El descubrimiento de Anderson en realidad surgió de un error que vio en los diagramas ternarios de estaño-plata-cobre que se usaban en ese momento. Aunque la temperatura de fusión de la aleación Sn-Ag-Cu fue 30 °F más alta que la de las aleaciones a base de plomo, aún era mucho más baja de lo que se pensaba anteriormente y a una temperatura lo suficientemente baja como para que los componentes electrónicos típicos de circuitos y equipos pudieran tolerar. Anderson y su equipo también experimentaron con la mejora de las características mecánicas y de estabilidad térmica en la soldadura dopando el material con níquel, zinc y/o aluminio.

La investigación de Anderson y su equipo condujo a la emisión de la patente de EE. UU. n.º 5527628, titulada Soldadura eutéctica ternaria de Sn-Ag-Cu libre de Pb, emitida el 18 de junio de 1996. Reivindicaba una soldadura conductora eléctrica sin plomo que consistía esencialmente en aproximadamente 3,5 a 7,7 por ciento en peso de plata, aproximadamente 1 a 4 por ciento en peso de cobre y al menos aproximadamente 89 por ciento en peso de estaño para promover la formación de compuestos intermetálicos que mejoran la resistencia de la soldadura y la resistencia a la fatiga. La patente también señala que la soldadura inventada tiene un costo competitivo con las soldaduras a base de plomo y está fácilmente disponible para un uso de gran volumen.

Dado que las regalías solo por esta patente alcanzan las decenas de millones, está claro que el trabajo de Anderson y el equipo de investigación de la Universidad de Iowa ha tenido un valor tremendo para la industria. Esto es interesante dado que esta invención parece muy similar a la que la Corte Suprema de los EE. UU. declaró no elegible para patente en Mayo Collaborative Services v. Prometheus Laboratories, donde la corte encontró que una patente que cubría un análisis de sangre menos invasivo para diagnosticar condiciones era inválida porque incorporaba una ley de la naturaleza.

Se espera que el desarrollo futuro de las soldaduras sin plomo mejore el rendimiento de las aplicaciones de consumo ampliadas, incluida la electrónica automotriz y dispositivos electrónicos más resistentes. A partir de su ingreso en el Salón de la Fama de los Inventores Nacionales en 2017, Anderson tenía 39 patentes. En 2010, recibió el Premio de la Universidad Estatal de Iowa por Logros en Propiedad Intelectual. En 2015, Anderson fue reconocido como miembro de The Mineral, Metals and Materials Society.

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