Soldar

Las soldaduras de estaño - plomo (Sn-Pb), también llamadas soldaduras blandas , están disponibles comercialmente con concentraciones de estaño entre el 5 % y el 70 % en peso. Cuanto mayor sea la concentración de estaño, mayor será la resistencia a la tracción y al corte de la soldadura . El plomo mitiga la formación de filamentos de estaño , ^{[ 7 ]} aunque se desconoce el mecanismo preciso. ^{[ 8 ]} Actualmente, se utilizan muchas técnicas para mitigar el problema, incluyendo cambios en el proceso de recocido (calentamiento y enfriamiento), la adición de elementos como cobre y níquel, y la aplicación de recubrimientos conformes . ^{[ 9 ]} Las aleaciones comúnmente utilizadas para soldadura eléctrica son 60/40  Sn-Pb, que se funde a 188 °C (370 °F) , ^{[ 10 ]} y 63/37 Sn-Pb, utilizada principalmente en trabajos eléctricos/electrónicos. Esta última mezcla es una aleación eutéctica de estos metales, que:   

1. tiene el punto de fusión más bajo ( 183 °C o 361 °F ) de todas las aleaciones de estaño-plomo; y  
2. El punto de fusión es realmente un punto  , no un rango.

En Estados Unidos, desde 1974, el plomo está prohibido en la soldadura y el fundente para aplicaciones de plomería destinadas al agua potable, según la Ley de Agua Potable Segura . ^{[ 11 ]} Históricamente, se utilizaba una mayor proporción de plomo, comúnmente 50/50. Esto tenía la ventaja de que la aleación se solidificaba más lentamente. Al ensamblarse físicamente las tuberías antes de soldarlas, se podía aplicar la soldadura sobre la junta para asegurar la estanqueidad. Aunque las tuberías de plomo fueron reemplazadas por cobre cuando se empezó a comprender plenamente la importancia del envenenamiento por plomo , la soldadura de plomo se siguió utilizando hasta la década de 1980 porque se creía que la cantidad de plomo que podía filtrarse al agua desde la soldadura era insignificante en una junta soldada correctamente. El par electroquímico de cobre y plomo promueve la corrosión del plomo y el estaño. Sin embargo, el estaño está protegido por óxido insoluble. Dado que se ha comprobado que incluso pequeñas cantidades de plomo son perjudiciales para la salud como una potente neurotoxina , ^{[ 12 ]} el plomo en la soldadura de fontanería se sustituyó por plata (aplicaciones de grado alimenticio) o antimonio , a menudo con cobre añadido, y se aumentó la proporción de estaño (véase soldadura sin plomo ).

La adición de estaño —más caro que el plomo— mejora las propiedades de humectación de la aleación; el plomo en sí mismo tiene características de humectación deficientes. Las aleaciones de estaño-plomo con alto contenido de estaño tienen un uso limitado, ya que el rango de trabajabilidad puede ser proporcionado por una aleación con alto contenido de plomo más económica. ^{[ 13 ]}

Las soldaduras de plomo-estaño disuelven fácilmente el chapado de oro y forman intermetálicos frágiles. ^{[ 14 ]} La soldadura 60/40  Sn-Pb se oxida en la superficie, formando una compleja estructura de 4 capas: óxido de estaño(IV) en la superficie, debajo una capa de óxido de estaño(II) con plomo finamente disperso, seguida de una capa de óxido de estaño(II) con estaño y plomo finamente dispersos, y la propia aleación de soldadura debajo. ^{[ 15 ]}

El plomo, y en cierta medida el estaño, tal como se usa en la soldadura, contiene cantidades pequeñas pero significativas de impurezas de radioisótopos . Los radioisótopos que experimentan desintegración alfa son motivo de preocupación debido a su tendencia a causar errores transitorios . El polonio-210 es particularmente problemático; el plomo-210 se desintegra beta a bismuto-210 , que luego se desintegra beta a polonio-210, un emisor intenso de partículas alfa . El uranio-238 y el torio-232 son otros contaminantes importantes de las aleaciones de plomo. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

La Directiva de la Unión Europea sobre Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos y la Directiva sobre Restricción de Sustancias Peligrosas se adoptaron a principios de 2003 y entraron en vigor el 1 de julio de 2006, restringiendo la inclusión de plomo en la mayoría de los aparatos electrónicos de consumo vendidos en la UE y teniendo un amplio efecto en los aparatos electrónicos de consumo vendidos en todo el mundo. En EE. UU., los fabricantes pueden recibir beneficios fiscales al reducir el uso de soldadura con plomo. Las soldaduras sin plomo de uso comercial pueden contener estaño, cobre, plata, bismuto , indio , zinc , antimonio y trazas de otros metales. La mayoría de los sustitutos sin plomo de la soldadura convencional 60/40 y 63/37 Sn-Pb tienen puntos de fusión entre 50 y 200 °C más altos, ^{[ 18 ]} aunque también existen soldaduras con puntos de fusión mucho más bajos. La soldadura sin plomo normalmente requiere alrededor de un 2 % de fundente en masa para una humectabilidad adecuada. ^{[ 19 ]}  

Cuando se utiliza soldadura sin plomo en la soldadura por ola , puede ser conveniente un crisol de soldadura ligeramente modificado (por ejemplo, con revestimientos o impulsores de titanio ) para reducir los costos de mantenimiento debido a la mayor eliminación de estaño de la soldadura con alto contenido de estaño.

Las soldaduras de estaño-plata-cobre (Sn-Ag-Cu o SAC ) son utilizadas por dos tercios de los fabricantes japoneses para soldadura por reflujo y por ola , y por aproximadamente el 75% de las empresas para soldadura manual. El uso generalizado de esta popular familia de aleaciones de soldadura sin plomo se basa en el punto de fusión reducido del comportamiento eutéctico ternario Sn-Ag-Cu ( 217 °C; 423 °F ), que está por debajo del eutéctico 22/78 Sn-Ag (% en peso) de 221 °C (430 °F) y del eutéctico 99,3/0,7 Sn-Cu de 227 °C (441 °F) . ^{[ 20 ]} El comportamiento eutéctico ternario de Sn-Ag-Cu y su aplicación para el ensamblaje de componentes electrónicos fue descubierto (y patentado) por un equipo de investigadores del Laboratorio Ames , la Universidad Estatal de Iowa y los Laboratorios Nacionales Sandia -Albuquerque.        

Gran parte de la investigación reciente se ha centrado en la adición de un cuarto elemento a la soldadura Sn-Ag-Cu, con el fin de proporcionar compatibilidad para la velocidad de enfriamiento reducida del reflujo de esferas de soldadura para el ensamblaje de matrices de rejilla de bolas . Ejemplos de estas composiciones de cuatro elementos son 18/64/14/4  estaño-plata-cobre-zinc (Sn-Ag-Cu-Zn) (rango de fusión 217–220  °C) y 18/64/16/2  estaño-plata-cobre- manganeso (Sn-Ag-Cu-Mn; rango de fusión de 211–215  °C).

Las soldaduras a base de estaño disuelven fácilmente el oro, formando uniones intermetálicas frágiles; para las aleaciones de Sn-Pb, la concentración crítica de oro para fragilizar la unión es de aproximadamente el 4 %. Las soldaduras ricas en indio (generalmente indio-plomo) son más adecuadas para soldar capas de oro más gruesas, ya que la velocidad de disolución del oro en indio es mucho menor. Las soldaduras ricas en estaño también disuelven fácilmente la plata; para soldar metalizaciones o superficies de plata, son adecuadas las aleaciones con adición de plata; las aleaciones sin estaño también son una opción, aunque su humectabilidad es menor. Si el tiempo de soldadura es lo suficientemente largo como para formar los intermetálicos, la superficie de estaño de una unión soldada al oro queda muy opaca. ^{[ 14 ]}

Las soldaduras duras se utilizan para la soldadura fuerte y se funden a temperaturas más elevadas. Las aleaciones de cobre con zinc o plata son las más comunes.

En orfebrería o joyería , se utilizan soldaduras duras especiales que cumplen con los estándares de calidad . Estas soldaduras contienen una alta proporción del metal que se va a soldar y rara vez contienen plomo. Su dureza varía y se clasifican como "para esmaltar", "dura", "media", "fácil" y "de reparación". La soldadura para esmaltar tiene un punto de fusión alto, cercano al del propio material, para evitar que la unión se desuelde durante el proceso de esmaltado. Los demás tipos de soldadura se utilizan en orden decreciente de dureza durante la fabricación de una pieza, para evitar que una soldadura previa se desprenda al soldar otras partes. La soldadura fácil o de reparación también se utiliza con frecuencia para trabajos de reparación por la misma razón. El fundente también se utiliza para evitar que las uniones se desuelden.

La soldadura de plata también se utiliza en la fabricación para unir piezas metálicas que no se pueden soldar . Las aleaciones utilizadas para estos fines contienen una alta proporción de plata (hasta un 40 %) y también pueden contener cadmio .

En la aleación de soldadura, los diferentes elementos desempeñan distintas funciones:

• Se añade antimonio para aumentar la resistencia sin afectar la humectabilidad. Previene la corrosión del estaño. Debe evitarse en metales de zinc, cadmio o galvanizados, ya que la unión resultante es frágil. ^{[ 21 ]}
• El bismuto reduce significativamente el punto de fusión y mejora la humectabilidad. En presencia de suficiente plomo y estaño, el bismuto forma cristales de Sn ₁₆ Pb ₃₂ Bi ₅₂ con un punto de fusión de solo 95 °C, que se difunden a lo largo de los límites de grano y pueden causar una falla en la unión a temperaturas relativamente bajas. Por lo tanto, una pieza de alta potencia preestañada con una aleación de plomo puede desoldarse bajo carga cuando se suelda con una soldadura que contiene bismuto. Dichas uniones también son propensas a agrietarse. Las aleaciones con más del 47 % de Bi se expanden al enfriarse, lo que puede usarse para compensar las tensiones de desajuste de expansión térmica. Retardar el crecimiento de bigotes de estaño . Relativamente caro, disponibilidad limitada. 
• El cobre mejora la resistencia a la fatiga por ciclos térmicos y las propiedades de humectación de la soldadura fundida. También ralentiza la disolución del cobre de la placa y los terminales de los componentes en la soldadura líquida. El cobre en las soldaduras forma compuestos intermetálicos. Se puede emplear una solución sobresaturada (aproximadamente un 1 %) de cobre en estaño para inhibir la disolución de la metalización de película delgada bajo el contacto de los chips BGA , por ejemplo, como Sn ₉₄ Ag ₃ Cu ₃ . ^{[ 20 ] [ 22 ]}
• El níquel se puede agregar a la aleación de soldadura para formar una solución sobresaturada que inhiba la disolución de la metalización de película delgada bajo el contacto. ^{[ 22 ]} En aleaciones de estaño-cobre, una pequeña adición de Ni (<0,5 % en peso) inhibe la formación de huecos y la interdifusión de elementos Cu y Sn. ^{[ 20 ]} Inhibe la disolución del cobre, incluso más en sinergia con el bismuto. La presencia de níquel estabiliza los intermetálicos de cobre-estaño, inhibe el crecimiento de dendritas de β-estaño proeutécticas (y por lo tanto aumenta la fluidez cerca del punto de fusión del eutéctico de cobre-estaño), promueve una superficie brillante después de la solidificación, inhibe el agrietamiento superficial durante el enfriamiento; dichas aleaciones se denominan "modificadas con níquel" o "estabilizadas con níquel". Pequeñas cantidades aumentan la fluidez de la fusión, la mayoría al 0,06 %. ^{[ 23 ]} Se pueden usar cantidades subóptimas para evitar problemas de patentes. La reducción de la fluidez aumenta el llenado de agujeros y mitiga la formación de puentes y carámbanos.
• Se utiliza cobalto en lugar de níquel para evitar problemas de patentes al mejorar la fluidez. No estabiliza el crecimiento de compuestos intermetálicos en la aleación sólida.
• El indio reduce el punto de fusión y mejora la ductilidad. En presencia de plomo, forma un compuesto ternario que experimenta un cambio de fase a 114  °C. Tiene un costo muy elevado (varias veces mayor que el de la plata) y baja disponibilidad. Se oxida fácilmente, lo que causa problemas en reparaciones y retrabajos, especialmente cuando no se puede usar un fundente para eliminar óxidos, por ejemplo, durante la fijación de chips de GaAs. Las aleaciones de indio se utilizan en aplicaciones criogénicas y para soldar oro, ya que el oro se disuelve en indio mucho menos que en estaño. El indio también puede soldar muchos materiales no metálicos (por ejemplo, vidrio, mica, alúmina, magnesia, dióxido de titanio, circonia , porcelana, ladrillo, hormigón y mármol). Es propenso a difundirse en semiconductores y causar dopaje no deseado. A temperaturas elevadas, se difunde fácilmente a través de metales. Tiene baja presión de vapor, lo que lo hace adecuado para su uso en sistemas de vacío. Forma intermetálicos frágiles con el oro; las soldaduras ricas en indio sobre oro grueso no son fiables. Las soldaduras a base de indio son propensas a la corrosión, especialmente en presencia de iones cloruro . ^{[ 24 ]}
• El plomo es económico y posee propiedades adecuadas. Humecta peor que el estaño. Es tóxico y se está eliminando gradualmente. Retrasa el crecimiento de filamentos de estaño e inhibe la plaga del estaño. Disminuye la solubilidad del cobre y otros metales en estaño.
• La plata proporciona resistencia mecánica, pero tiene peor ductilidad que el plomo. En ausencia de plomo, mejora la resistencia a la fatiga por ciclos térmicos. El uso de soldaduras SnAg con terminales recubiertos de HASL-SnPb forma una fase SnPb ₃₆ Ag ₂ con un punto de fusión de 179 °C, que se mueve a la interfaz placa-soldadura, se solidifica al final y se separa de la placa. ^{[ 18 ]} La adición de plata al estaño reduce significativamente la solubilidad de los recubrimientos de plata en la fase de estaño. En la aleación eutéctica de estaño-plata (3,5 % Ag) y aleaciones similares (por ejemplo, SAC305) tiende a formar plaquetas de Ag ₃ Sn , que, si se forman cerca de un punto de alta tensión, pueden servir como sitios de iniciación para grietas y causar un rendimiento deficiente ante golpes y caídas; el contenido de plata debe mantenerse por debajo del 3 % para inhibir tales problemas. ^{[ 22 ]} Alta movilidad iónica, tiende a migrar y formar cortocircuitos en alta humedad bajo polarización de CC. Favorece la corrosión de los crisoles de soldadura y aumenta la formación de escoria. 
• El estaño suele ser el metal estructural principal de la aleación. Posee buena resistencia y humectabilidad. Por sí solo, es propenso a la corrosión por estaño y al crecimiento de filamentos de estaño . Disuelve fácilmente la plata, el oro y, en menor medida, muchos otros metales, como el cobre; esto resulta especialmente preocupante para las aleaciones ricas en estaño con puntos de fusión y temperaturas de reflujo elevados.
• El zinc reduce el punto de fusión y es económico. Sin embargo, es muy susceptible a la corrosión y la oxidación en el aire, por lo que las aleaciones que contienen zinc no son adecuadas para ciertos usos, como la soldadura por ola, y las pastas de soldadura con zinc tienen una vida útil más corta que las libres de zinc. Puede formar capas intermetálicas frágiles de Cu-Zn en contacto con el cobre. Se oxida fácilmente, lo que dificulta la humectación, y requiere un fundente adecuado.
• El germanio en las soldaduras sin plomo a base de estaño influye en la formación de óxidos; por debajo del 0,002%, aumenta la formación de óxidos. La concentración óptima para suprimir la oxidación es del 0,005%. ^{[ 25 ]} Se utiliza, por ejemplo, en la aleación Sn100C. Patentado.
• Los elementos de tierras raras , cuando se añaden en pequeñas cantidades, refinan la estructura de la matriz en las aleaciones de estaño-cobre al segregar las impurezas en los límites de grano. Sin embargo, una adición excesiva da lugar a la formación de filamentos de estaño; también produce fases de tierras raras espurias, que se oxidan fácilmente y deterioran las propiedades de la soldadura. ^{[ 20 ]}
• El fósforo se utiliza como antioxidante para inhibir la formación de escoria. Disminuye la fluidez de las aleaciones de estaño-cobre.

Las impurezas suelen entrar en el depósito de soldadura disolviendo los metales presentes en los conjuntos que se están soldando. La disolución de los equipos de proceso no es común, ya que los materiales suelen elegirse para que sean insolubles en la soldadura. ^{[ 26 ]}

• El aluminio  tiene poca solubilidad, lo que provoca que la soldadura sea lenta y que adquiera un aspecto opaco y áspero debido a la formación de óxidos. La adición de antimonio a las soldaduras forma compuestos intermetálicos de Al-Sb que se segregan en escoria . Esto favorece la fragilización.
• Antimonio  : añadido intencionalmente, hasta un 0,3% mejora la humectabilidad; cantidades mayores la degradan gradualmente. Aumenta el punto de fusión.
• Arsénico  : forma compuestos intermetálicos delgados con efectos adversos sobre las propiedades mecánicas, provoca la deshumectación de las superficies de latón.
• Cadmio  : provoca lentitud en la soldadura, forma óxidos y se empaña.
• Cobre  : ​​contaminante más común, forma intermetálicos en forma de aguja, provoca lentitud en las soldaduras, aspereza en las aleaciones y disminución de la humectación.
• Oro  : se disuelve fácilmente, forma compuestos intermetálicos frágiles y, si la contaminación supera el 0,5 %, provoca lentitud y disminuye la humectabilidad. Reduce el punto de fusión de las soldaduras a base de estaño. Las aleaciones con mayor contenido de estaño pueden absorber más oro sin fragilizarse.
• Hierro  : forma compuestos intermetálicos, causa aspereza, pero la velocidad de disolución es muy baja; se disuelve fácilmente en plomo-estaño por encima de 427  °C. ^{[ 14 ]}
• Plomo  : provoca problemas de cumplimiento de la Directiva sobre Restricción de Sustancias Peligrosas (RSD) a concentraciones superiores al 0,1 %. Puede provocar fallos en las uniones soldadas con bismuto.
• Níquel  : provoca aspereza, muy poca solubilidad en Sn-Pb
• Fósforo : forma fosfuros  de estaño y plomo , provoca aspereza y deshumectación, presente en el niquelado químico.
• La plata  , a menudo añadida intencionalmente, forma en grandes cantidades compuestos intermetálicos que provocan aspereza y la formación de protuberancias en la superficie de la soldadura, con potencial de fragilización.
• Azufre : forma sulfuros  de plomo y estaño , provoca deshumectación.
• Zinc  : en estado fundido forma escoria excesiva; en uniones solidificadas se oxida rápidamente en la superficie; el óxido de zinc es insoluble en fundentes, lo que dificulta la reparación; pueden ser necesarias capas de barrera de cobre y níquel al soldar latón para evitar la migración de zinc a la superficie; existe riesgo de fragilización.

Acabados de placas frente a acumulación de impurezas en el baño de soldadura por ola:

• HASL, sin plomo (nivel de aire caliente): generalmente estaño prácticamente puro. No contamina los baños con alto contenido de estaño.
• HASL, con plomo: parte del plomo se disuelve en el baño.
• ENIG (deposición química de níquel-oro por inmersión): normalmente se utilizan entre 100 y 200 micropulgadas de níquel con entre 3 y 5 micropulgadas de oro en la superficie. Parte del oro se disuelve en el baño, pero es raro que se supere el límite de acumulación.
• Inmersión en plata: normalmente se utilizan entre 10 y 15 micropulgadas de plata. Parte de ella se disuelve en el baño, pero es raro que se supere el límite de acumulación.
• Estaño de inmersión: no contamina los baños con alto contenido de estaño.
• OSP (conservante orgánico de soldabilidad): generalmente compuestos de la clase imidazol que forman una capa delgada sobre la superficie del cobre. El cobre se disuelve fácilmente en baños con alto contenido de estaño. ^{[ 27 ]}

Durante la solidificación de las soldaduras y sus reacciones con las superficies soldadas, se forman muchos compuestos intermetálicos diferentes. ^{[ 26 ]} Los intermetálicos forman fases distintas, generalmente como inclusiones en una matriz de solución sólida dúctil, pero también pueden formar la matriz misma con inclusiones metálicas o formar materia cristalina con diferentes intermetálicos. Los intermetálicos suelen ser duros y frágiles. Los intermetálicos finamente distribuidos en una matriz dúctil dan como resultado una aleación dura, mientras que una estructura gruesa da una aleación más blanda. A menudo se forma una gama de intermetálicos entre el metal y la soldadura, con una proporción creciente de metal; por ejemplo, formando una estructura de Cu−Cu ₃ Sn−Cu ₆ Sn ₅ −Sn . Se pueden formar capas de intermetálicos entre la soldadura y el material soldado. Estas capas pueden causar debilitamiento de la fiabilidad mecánica y fragilidad, aumento de la resistencia eléctrica o electromigración y formación de huecos. La capa de compuestos intermetálicos de oro y estaño es la responsable de la escasa fiabilidad mecánica de las superficies chapadas en oro soldadas con estaño, donde el chapado de oro no se disolvió por completo en la soldadura.

En la formación de una unión soldada intervienen dos procesos: la interacción entre el sustrato y la soldadura fundida, y el crecimiento en estado sólido de compuestos intermetálicos. El metal base se disuelve en la soldadura fundida en una cantidad que depende de su solubilidad en la misma. El componente activo de la soldadura reacciona con el metal base a una velocidad que depende de la solubilidad de los componentes activos en el metal base. Las reacciones en estado sólido son más complejas: la formación de intermetálicos puede inhibirse modificando la composición del metal base o de la aleación de soldadura, o utilizando una capa barrera adecuada para inhibir la difusión de los metales. ^{[ 29 ]}

Algunos ejemplos de interacciones incluyen:

• El oro y el paladio se disuelven fácilmente en las soldaduras. El cobre y el níquel tienden a formar capas intermetálicas durante los procesos normales de soldadura. El indio también forma compuestos intermetálicos.
• Los compuestos intermetálicos de indio y oro son frágiles y ocupan aproximadamente cuatro veces más volumen que el oro original. Los cables de unión son especialmente susceptibles al ataque del indio. Este crecimiento de compuestos intermetálicos, junto con los ciclos térmicos, puede provocar la falla de los cables de unión. ^{[ 30 ]}
• El cobre recubierto de níquel y oro se utiliza con frecuencia. La fina capa de oro facilita una buena soldabilidad del níquel, ya que lo protege de la oxidación; esta capa debe ser lo suficientemente delgada como para disolverse rápida y completamente, dejando el níquel expuesto a la soldadura. ^{[ 17 ]}
• Las capas de soldadura de plomo-estaño sobre conductores de cobre pueden formar capas intermetálicas de cobre-estaño; la aleación de soldadura se empobrece localmente en estaño y forma una capa rica en plomo. Los compuestos intermetálicos de Sn-Cu pueden entonces quedar expuestos a la oxidación, lo que resulta en una soldabilidad deficiente. ^{[ 31 ]}
• Cu ₆ Sn ₅  – común en la interfaz soldadura-cobre, se forma preferentemente cuando hay exceso de estaño disponible; en presencia de níquel, se puede formar el compuesto (Cu,Ni) ₆ Sn ₅ ^{[ 20 ] [ 7 ]}
• Cu ₃ Sn  – común en la interfaz soldadura-cobre, se forma preferentemente cuando hay exceso de cobre disponible, más estable térmicamente que Cu ₆ Sn ₅ , a menudo presente cuando se produce soldadura a temperaturas más altas ^{[ 20 ] [ 7 ]}
• Ni ₃ Sn ₄  – común en la interfaz soldadura-níquel ^{[ 20 ] [ 7 ]}
• FeSn ₂  – formación muy lenta
• Ag ₃ Sn  - a mayor concentración de plata (más del 3%) en estaño se forman plaquetas que pueden servir como puntos de inicio de grietas.
• AuSn ₄  – Fase β  – Frágil, se forma con exceso de estaño. Perjudicial para las propiedades de las soldaduras a base de estaño en las capas chapadas en oro.
• AuIn ₂  – se forma en el límite entre el oro y la soldadura de indio-plomo, actúa como una barrera contra la disolución posterior del oro.