Uso de plomo

Oct 22, 2023

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Varios segmentos del mercado electrónico siguen estando exentos de las restricciones de materiales sin plomo, como la legislación de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS). Estos segmentos de mercado tienden a ser productos electrónicos que se utilizan en entornos hostiles y/o que tienen una funcionalidad crítica para la vida/el sistema. Si bien estos segmentos del mercado, que incluyen la aviónica, pueden usar soldadura que contiene plomo, cada vez es más difícil adquirir componentes avanzados en configuraciones que no cumplen con ROHS. Los equipos de diseño de productos que siguen utilizando procesos de soldadura de estaño/plomo se enfrentan al dilema de cómo utilizar componentes de matriz de rejilla esférica (BGA) que solo están disponibles con esferas de soldadura sin plomo en sus procesos de ensamblaje. Este documento analiza varios aspectos de tener componentes BGA sin plomo en un proceso de soldadura de estaño/plomo: (1) metalurgia mixta; (2) solidificación; (3) bigotes de estaño. Se discutirán las posibles metodologías de utilización sin comprometer la integridad del producto.

La preocupación de la metalurgia mixta

La legislación ambiental ha causado un impacto significativo en la industria electrónica en términos de los conjuntos de materiales utilizados en los productos electrónicos. La prohibición de materiales como el cadmio, el cromo hexavalente, el mercurio y el plomo ha eliminado una serie de componentes electrónicos y procesos de materiales que históricamente se usaban en la producción de productos electrónicos. Podría decirse que la eliminación de plomo para las aleaciones de soldadura tiene el mayor impacto en los productos electrónicos debido a su papel como principal material de funcionalidad mecánica y eléctrica. La Figura 1 ilustra cómo las tendencias globales de uso de soldadura muestran el reemplazo de las aleaciones de soldadura de estaño/plomo con aleaciones de soldadura sin plomo desde 2004 según el seguimiento del Programa estadístico de soldadura global de IPC.

Los equipos de diseño de productos que siguen utilizando procesos de soldadura de estaño/plomo se enfrentan al dilema de cómo utilizar componentes BGA que solo están disponibles con bolas de soldadura sin plomo. La combinación de una aleación de pasta de soldadura de estaño/plomo con un componente BGA con bolas de soldadura sin plomo da como resultado una microestructura de unión de soldadura de "metalurgia mixta" que tiene una integridad de unión de soldadura deficiente en muchos entornos de uso del producto. Han surgido tres soluciones de la industria como metodologías aceptables para abordar el posible problema de integridad de la junta de soldadura de una metalurgia mixta (es decir, piezas sin plomo utilizadas en una condición de ensamblaje de estaño/plomo). La primera solución es enviar el componente BGA sin plomo a un proveedor de servicios externo para que se "rellene" (es decir, las bolas de soldadura sin plomo se quitan y se reemplazan con bolas de soldadura de aleación de estaño/plomo). Se ha demostrado que el proceso de reballing es confiable, siempre que se sigan procedimientos de proceso estrictamente controlados. La ventaja de un componente BGA reballed es que es transparente para un proceso de soldadura de estaño/plomo; las desventajas son el costo y el tiempo requerido para reballear el componente BGA.

Figura 1: Tendencias globales de uso de soldadura. (Programa estadístico mundial de soldadura del IPC)

El reballing de un componente BGA requiere el control de varios parámetros clave del proceso: nivel de sensibilidad a la humedad, eliminación de la bola de soldadura/temperatura/tiempo de fijación y limpieza del componente BGA reballed. Las pruebas de componentes funcionales son necesarias para garantizar que no se produzcan defectos en el proceso o en los componentes del proceso de reballing. El siguiente ejemplo ilustra cómo la realización de la debida diligencia de evaluación funcional evita la introducción de BGA defectuosos en los productos.

Se descubrió que un componente BGA tenía errores funcionales durante las pruebas de prototipo de ingeniería. El componente BGA en cuestión se había adquirido del proveedor del componente como un BGA sin plomo y posteriormente se reballenó utilizando una aleación de soldadura eutéctica de estaño/plomo. Una radiografía del BGA sospechoso reveló un exceso de vacío en la junta de soldadura.

Figura 2:Imagen de rayos X del BGA sospechoso.

Las investigaciones de la industria han demostrado que el vacío de BGA, en general, no es un problema de integridad de la unión de soldadura, sino un indicador claro de un problema de diseño de almohadilla o proceso de soldadura. Las almohadillas BGA no contenían ninguna tecnología de microvía, por lo que inicialmente se creyó que un problema relacionado con un depósito de soldadura en pasta o un perfil de reflujo era la causa principal de la anulación. La figura 2 muestra el exceso de vacío observado en las uniones de soldadura BGA durante la evaluación de rayos X.

Se llevó a cabo un análisis transversal metalográfico para verificar que el vacío de la junta de soldadura observado fuera un problema del proceso de soldadura. El análisis de la sección transversal reveló que los espesores de las almohadillas de cobre de los componentes eran tan delgados que, durante el proceso de reflujo del ensamblaje, la bola de soldadura fundida hizo contacto con el material laminado BGA, lo que provocó la desgasificación que creó el vacío. La medición del recubrimiento de la almohadilla de cobre reveló una barrera de recubrimiento de níquel inexistente, lo que permitió la disolución del recubrimiento de cobre del 50 % al 100 % de la almohadilla BGA.

Para leer este artículo completo, que apareció en la edición de julio de 2017 de SMT Magazine, haga clic aquí.