Amigos,
La temperatura de servicio de los componentes electrónicos de un automóvil moderno puede ser superior a 125ºC. Estas altas temperaturas plantean el problema del crecimiento intermetálico del cobre y el estaño en las uniones soldadas.
A menudo, no pensamos en el hecho de que incluso la temperatura ambiente es una fracción considerable de la temperatura de fusión del estaño, por ejemplo 293K/505K = 0,5802. Recordemos que para hacer estos cálculos tenemos que utilizar la escala Kelvin. Sin embargo, 125C está a 0,788 del punto de fusión del estaño. Esta temperatura equivale a que el hierro forjado de un herrero esté a 895C. La figura 1 muestra la tabla de temperaturas de la forja deun herrero. Obsérvese que 895C está más allá del rojo vivo.
Figura 1 Tabla de temperaturas de forja de un herrero
Entonces, ¿cuál es el crecimiento intermetálico cobre-estaño de la soldadura SAC a 125C en función del tiempo? La ley de difusión de Fick nos dice que el crecimiento del intermetálico, D, viene dado por:
D = (k(T)t)^0,5 Ec 1.
Donde k(T) es una constante de velocidad de crecimiento dependiente de la temperatura y t es el tiempo. Siewert etal[i] realizaron experimentos en los que se midió D para varias temperaturas y tiempos para soldaduras SAC. Siguiendo el ejemplo de Siewert, utilizaré el tiempo en horas. Utilizando sus datos de las figuras 2a a 2c para soldaduras SAC, he podido trazar k en un gráfico de Arrhenius, véase la figura 2.
.
Figura 2. Diagrama de Arrhenius de los datos de Siebert Diagrama de Arrhenius de los datos de Siebert
A partir de la figura 2, vemos que Ln k = -6784,7/T+ 14,81 o k = exp (14,81)*exp-(6784,7/T). Así, a 125C o 398K, k = 0,1068. Con este valor de k, podemos representar D en función del tiempo. Los resultados se muestran en la figura 3. Obsérvese que ambas escalas son logarítmicas. En 1.000 h (42 días) el intermetálico ha crecido 10 micras. En 3 años, alcanza las 53 micras. Debemos ser cautos, ya que los datos de Siewet tienen barras de error. Pero, mi sensación es que estas proyecciones están dentro de un factor de dos.
Figura 3. Crecimiento intermetálico en función del tiempo a 125C en soldadura SAC.
¿Cuál es el efecto de estos gruesos intermetálicos en un duro entorno automovilístico? Nadie lo sabe, pero yo animaría a alguien a realizar algunos experimentos para averiguarlo.
Salud,
Dr. Ron
[i] Siewert, T. A. etal, Formation and Growth of Intermetallics at the Interface between Lead-Free Solders and Copper Substrates, APEX 1994.
